溶液-凝胶法制备ZnO薄膜

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溶胶一凝胶法制备

从SEM图中，可以看出不加入PEG时，薄膜比较致密；加入PEG后薄膜出现了孔结构，但是随着PEG加入量的增加，薄膜的孔结构越来越不明显，这主要是由于PEG与锌溶胶的模板组装是通过分相机理来形成孔结构，当溶胶的凝胶化速度等于或者小于分相的速度时，就易形成多孔的结构：而当溶胶的凝胶化速度大于分相的速度时，就得到孔含量少的薄膜。
制备过程

先将溶胶水浴1 h（50℃），将洁净的玻璃基片匀速浸入配制好的溶胶中，静置20 s后，以 6 cm /min的提拉速度垂直向上提拉基片，然后立即放入温度为100 ℃的烘箱中干10min，在无尘空气中冷却5 min, 重复上述操作６次以增加膜层的厚度，拉出的薄膜再在100℃下干燥30 min。煅烧处理是在箱式电阻炉中以2℃ /min升温至所需温度，保温1 h，随炉冷却至室温，得到ZnO多孔薄膜。
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溶胶——凝胶法的优点

原子水平上混合反应物料，材料组成均匀。合成反应温度低，节能。合成反应体系是液态，可用喷射，旋涂，浸拉等方法制备薄膜，纤维等特殊形态的材料。
制备过程

玻璃基片分别在10 mol/L的稀硝酸、丙酮、去离子水、无水乙醇中超声清洗30 min，干燥后备用。含Zn溶胶是在室温下将一定量的醋酸锌 (Zn(Ac)2· 2O)溶解在50 mL的异丙醇中，磁 2H 力加热(50℃) 搅拌，将与Zn等摩尔比的络合剂二乙醇胺(NH(C2H4 OH)2)逐滴加入到上述溶液中，再加入少量的水，继续搅拌，待溶液完全澄清后，加入不同量的PEG2000，继续搅拌2 h，得到稳定的溶胶。

ZnO薄膜的溶胶—凝胶法制备及其光学性质研究

摘
要：用溶胶一凝胶法分别在透明玻璃和Ｓ衬底上制备出了ＺＯ薄膜。分别采用Ｘ射线衍射仪（Ｒ、采ｉｎＸＤ）能
量分散谱仪（Ｄ）紫外可见分光光度计和荧光光谱仪对所制样品进行测试，究了样品的结构特性、分和光ＥＳ、研成学特性。Ｘ射线衍射结果表明．制备的ＺＯ薄膜为六角纤锌矿结构：ｎ薄膜的ＥＳ能谱图表明薄膜包含Ｏ元所ｎＺＯＤ素和ｚｎ元素；射光谱表明ＺＯ薄膜质量高，可见光范围内具有较高的透射率，均透射率在８％以上：收透ｎ在平５吸
ｄｉ１．９９．ｓ．０８５８．１．．１ｏ：０３６￣ｉｎ１０－４３２０００４ｓ０３
ＺＯ薄膜的溶胶一凝胶法制备ｎ及其光学性质研究
吴云沛，国营，罗时军刘
（北汽车工业学院理学系，湖北十堰４２０）湖４０２
光谱表明在带隙处存在吸收边：Ｐ从Ｌ光谱观察到了显著的紫外发射峰。

溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜

制备ＺｎＯ薄膜的方法有很多如溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、溶胶一凝胶法等等，然而从实际应用的角度，这些方法大多需要真空设备，成本相对较高。而溶胶一凝胶法则避免了这点，并能在各种基片上制备均匀掺杂的薄膜。
本论文研究了在载玻片和ｓｉ基片上，溶胶一凝胶法工艺条件对薄膜的结晶、取向状况以及薄膜形貌等的影响，并探讨了溶胶一凝胶法制各ＺｎＯ薄膜过程中，工艺条件对其性能的影响，以此改善工艺条件来优化薄膜结构。还研究了掺Ａ１的ＺｎＯ薄膜的结构性能与电阻率、透射率之间的关系。
最近３０多年来围绕着氧化锌薄膜的晶体结构、物化性能、成膜技术以及相关的器件开发等展开了广泛且深入的研究，使得它的各项性能和应用都获得了显著的进展。许多应用氧化锌薄膜制作的电子器件已经得到了广泛的应用，比如在ＳＡＷ（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｃｅ，声表面波）器件上ＺｎＯ薄膜的应用，以及在透明电极、光电器件、蓝光器件等方面也有很大的应用潜力圆。在室温下高质量ＺｎＯ薄膜紫外激射的实现，使其成为一种理想的短波长发光器件材料，使这一领域倍受科研人员的重视。
Ｆｏｕｒｐｏｉｎｔｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍａｎｄｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ－ｖｉｓｉｂｌｅ（ＵＶ－ｖｉｓ）ｓｐｅｃｔｒｍｎｅｔｅｒｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＡＩ—ｄｏｐｅｄＺｎＯｔｈｉｎｆｉｌｍｓ．

ZnO-ZnS复合薄膜的制备及光电性能研究

ZnO/ZnS复合薄膜的制备及光电性能研究

引言：

随着纳米技术和光电材料的发展，复合薄膜材料在光电器件领域具有广泛的应用前景。ZnO/ZnS复合薄膜作为一种新型的光电材料，在太阳能电池、光电探测器等领域展现出了良好的光电性能。本文旨在研究ZnO/ZnS复合薄膜的制备方法以及其光电性能，并探讨其在光电器件中的应用前景。

制备方法：

制备ZnO/ZnS复合薄膜的方法有多种，本研究选取了溶液法与刻蚀法相结合的方法进行制备。首先，采用溶液法制备ZnO薄膜，将锌盐在有机溶剂中溶解并在基底上进行旋涂，形成ZnO 膜，然后将ZnO膜放入含有ZnS溶液的反应器中，在特定的气氛和温度下进行反应，使ZnS溶液在ZnO膜上析出形成

ZnO/ZnS复合薄膜。最后，对复合薄膜进行退火处理，以提高膜的结晶度和光电性能。

实验结果与讨论：

通过扫描电子显微镜观察复合薄膜的形貌，发现ZnO/ZnS复合薄膜呈现出均匀致密的结构，表面光滑，并且具有较好的结晶性。X射线衍射分析结果显示，复合薄膜的晶格结构为六方晶系，与ZnO和ZnS的晶格结构相吻合。紫外-可见光谱表明，ZnO/ZnS复合薄膜在可见光范围内具有较高的透过率，并呈现出明显的吸收峰，显示出良好的光学特性。此外，通过光电流-电压测试和光电转换效率测试发现，ZnO/ZnS复合薄膜在光电器件中具有较高的光电转换效率和稳定性。

应用前景：

基于以上实验结果和分析，ZnO/ZnS复合薄膜具有良好的光电

性能，可以广泛应用于太阳能电池、光电探测器等领域。在太阳能电池中，ZnO/ZnS复合薄膜可用作阳极材料，具有高光电

溶胶-凝胶法制备氧化锌铝膜的择优生长方向对电性质的影响

溶胶-凝胶法制备氧化锌铝膜的择优生长方向对电性质

的影响

摘要

这项研究采用不同加热方法和初始膜层,通过溶胶—凝胶法在玻璃和硅基膜上制备了氧化锌铝(AZO膜,研究了氧化锌的微观结构与电性能之间的关系。研究发现添加乙醇胺(MEA、使用初始层或者加大温度梯度明显地加快了膜沿着(002方向的生长速度。然而,载流子迁移率增加很小,而载流子浓度没有受影响甚至没有减少。一般情况下,膜的电导率没有明显增加。可以得出结论:这三种方法有利于提高晶体质量从而提高AZO膜的迁移率,但使由溶胶—凝胶法制得的氧化锌膜的导电性能差的主要原因是掺杂剂的活性较低,这是进一步改善膜性能的关键因素,应该首先解决。

关键词:择优生长方向;电性质;铝掺杂剂;氧化锌;溶胶—凝胶法;透明导电氧化物

1 引言

近年来,具有宽带能隙的透明导电氧化物已得到高度重视,因为它们可以用于紫外激光二极管,透明电极液晶显示器,触摸屏,由于其特殊的光电性质,还可应用于太阳能电池膜的窗口层中。其中,人们对氧化锌给予很大期望,因为它具有较大的激发子结合能,高击穿强度,良好的耐辐射损害性能,而且大面积单晶体技术和氧化锌外延生长技术得到了良好的发展。事实上,氧化锌铝(AZO替代氧化铟锡(ITO薄膜在制造液晶显示器方面中的大多数问题已经解决。此外,在实验室中获得的氧化锌铝的质量是还不够稳定应用在实际的透明电极中。与氧化锡和氧化铟相比,氧化锌由于其表面的保护层在离子氛环境下可以抵抗金属锌的减少。由于这些原因,铝或硼掺杂的氧化锌薄膜已应用于薄膜太阳能电池的外表面。此外,通过共同掺杂技术可以改善氧化锌薄膜的蚀刻问题。溅射技术已经能够生产氧化锌铝薄膜电阻在10-

ZnO薄膜的制备与性能研究

ZnO是众所周知的一种半导体材料，近年来，它的应用领域不断扩大，包括光电技术、传感器技术、气敏技术、生物技术等领域。其具有较高的透明度、电阻率、热稳定性和高电子迁移率等优异特性，使得其在各个领域中拥有巨大市场前景。在这些应用中，ZnO薄膜则是ZnO材料的重要组件之一。本文主要探讨ZnO 薄膜的制备及其性能研究。

一、ZnO薄膜制备方法

1.溶胶-凝胶法

ZnO薄膜制备的一种常见方法为溶胶-凝胶法。该方法主要涉及将预先制备好的ZnO溶胶放置于合适的基底上，然后通过热退火的方式完成ZnO薄膜的制备。使用该方法，可以获得良好的薄膜质量和较大的薄膜面积，同时可以随意控制薄膜厚度。

2.物理气相沉积法

物理气相沉积法是ZnO薄膜制备中最常用的方法之一。其主要通过采用物理气相沉积设备将高温气体通入反应室，然后将蒸汽通过传输管道沉积在基底上完成ZnO薄膜的制备。该方法具有制备ZnO晶体中空气杂质较少、晶粒精细等显著的优点。

3.MBE法

MBE法是利用分子束外延设备在超高真空环境下生长晶体的方法。该方法制备的ZnO薄膜具有非常高的晶体质量。然而，需要难以实现的极限条件，如超高真空环境和较高的晶体表面温度。

二、ZnO薄膜性能研究

1.光电性能

ZnO薄膜是光学和电学交叉的半导体薄膜。关于ZnO薄膜的光学性能，已有许多研究。例如，有研究人员证实了ZnO条纹薄膜在光学上具有比等宽薄膜更高的透射比，这是由于条纹薄膜的形态依赖性的折射率引起的。此外，ZnO薄膜具有优越的光电转换性能，可用于太阳能电池、传感器等领域。

溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜

一、本文概述

本文旨在探讨溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜的工艺及其相关特性。ZnO薄膜作为一种重要的半导体材料，在光电子器件、太阳能电池、气体传感器等领域具有广泛的应用前景。溶胶-凝胶法作为一种制备薄膜材料的常用技术，具有工艺简单、成本低廉、易于控制等优点，因此受到广大研究者的关注。

本文将首先介绍溶胶-凝胶法的基本原理和步骤，然后详细阐述制备ZnO薄膜的具体过程，包括前驱体溶液的配制、溶胶的制备、凝胶的形成以及薄膜的成膜过程。接着，我们将讨论制备过程中可能影响薄膜性能的因素，如溶胶浓度、凝胶温度、退火条件等，并通过实验验证这些因素的影响。

我们将对制备得到的ZnO薄膜进行表征和分析，包括其结构、形貌、光学性能和电学性能等方面。通过对比不同制备条件下的薄膜性能，优化制备工艺参数，为实际应用提供指导。本文的研究结果有望为ZnO薄膜的制备和应用提供有益的参考。

二、溶胶—凝胶法原理

溶胶-凝胶法（Sol-Gel）是一种湿化学方法，用于制备无机材料，

特别是氧化物薄膜。该方法基于溶液中的化学反应，通过控制溶液中的化学反应条件，使溶液中的物质发生水解和缩聚反应，从而生成稳定的溶胶。随着反应的进行，溶胶中的颗粒逐渐增大并相互连接，形成三维网络结构，最终转化为凝胶。

在制备ZnO薄膜的溶胶-凝胶法中，通常使用的起始原料是锌的盐类（如硝酸锌、醋酸锌等）和溶剂（如乙醇、水等）。锌盐在溶剂中溶解形成溶液，然后通过加入水或其他催化剂引发水解反应。水解产生的锌离子与溶剂中的羟基（OH-）结合，形成氢氧化锌（Zn(OH)2）的胶体颗粒。这些胶体颗粒在溶液中均匀分散，形成溶胶。

ZnO薄膜的制备及其光学性质的研究

第三，我们分析了衬底温度对ＺｎＯ薄膜结构和光学性质的影响。通过Ｘ射线衍射分析了ＺｎＯ薄膜的结构和结晶情况，实验发现，衬底温度对薄膜的结晶情况有重要的影响，适当提高衬底温度，有利于提高ＺｎＯ薄膜的ｃ轴择优取向及结晶质量。衬底温度为３００℃时（００２）面衍射峰强度最弱，且Ｃ轴晶格常数比标准ＺｎＯ晶体晶格常数ｄ，ｏ．０３５２Ａ，而其它温度下制备的ＺｎＯ薄膜样品ｃ轴晶格常数均大于标准晶体晶格常数，这说明衬底温度为３００℃时，ＺｎＯ薄膜的生长方式发生了变化。利用原子力显微镜研究了薄膜的表面形貌，分析了衬底温度对薄膜表面粗糙度的影响。利用棱镜耦合法检测了ＺｎＯ／Ｓｉ０２薄膜波导结构，测量了样品ＴＥ模和ＴＭ模对６３３ｎｍ波长光波对应的有效折射率，应用这些有效折射率值，估算了膜的折射率，结果表明，不同衬底温度下制备的ＺｎＯ薄膜的折射率小于ＺｎＯ块状晶体的折射率。通过紫外．可见光分光光度计分析表明，不同衬底温度下制备的ＺｎＯ薄膜可见光区平均透射率超过８０％，其禁带宽度在３．３２．３．３５ｅＶ之间接近于ＺｎＯ块状晶体的禁带宽度。
最后，我们研究了溅射沉膜时间对ＺｎＯ薄膜结构和光学性质的影响。通过Ｘ射线衍射分析了ＺｎＯ薄膜的结构和结晶质量，结果表明，增加溅射时间有利于改善薄膜的结晶质量。利用原子力显微镜研究了薄膜的表面形貌，分析了沉膜时间对薄膜表面粗糙度的影响。用棱镜耦合法检测了Ｚｎｏ／Ｓｉ０２薄膜波导结构，测量了样品ＴＥ模和ＴＭ模６３３ｎｍ波长光波对应的有效折射率，应用这些有效折射率值，估算了膜的折射率，结果表明，所制备的薄膜的折射率小于ＺｎＯ块状晶体的折射率，溅射沉膜时间越长样品的折射率越接近于块状晶体材料的折射率。

氧化锌薄膜的制备技术

第25卷第6期2009年3月

甘肃科技

Gansu Science and Techno logy

Vol.25 N o.6

M ar. 2009氧化锌薄膜的制备技术*

李勇,马书懿,李锡森,蔡利霞

(西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃兰州730070)

摘要:介绍了氧化锌薄膜的制备方法,主要有物理和化学两种方法。物理方法有:分子束外延法(M BE),脉冲激光溅射沉积法(PLD)以及磁控溅射法;化学方法有:溶液镀膜法和各种化学气相淀积(CVD)。重点讨论了磁控溅射法的优缺点及展望。

关键词:脉冲激光沉积;化学气相淀积;磁控溅射法

中图分类号:O472.3

1 引言

ZnO薄膜是一种直接型宽禁带化合物半导体材料,具有优异的压电、光电性能以及高化学与力学稳定性,而且ZnO薄膜的生长温度较低,电子诱生缺陷少,原料价格低,制备方法简单,材料安全环保,因而在太阳电池、液晶显示器、发光二极管(LED)以及其他光电元器件领域显示了广阔的应用前景。目前,ZnO薄膜的制备技术有很多,如,分子束外延(MBE)、激光沉积(PLD)、化学气相沉积(C VD)、磁控溅射、离子束辅助沉积以及溶胶凝胶法等。其中磁控溅射技术由于其主要的工艺参数,如工作气氛的压强和组分、溅射功率、靶与衬底间距、衬底温度等易于控制,容易实现所需性能薄膜的大面积均匀化沉积,而且具有重复性好、可靠性和沉积效率高而成为适于工业化生产的技术。

2 各种制备技术

2.1 溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法是20世纪60年代发展起来的一种材料制备方法。自1971年,D i d icih首次通过溶胶一凝胶法制备出多元氧化物固体材料以后,溶胶一凝胶法就越来越受到人们的瞩目。溶胶一凝胶法制备透明导电膜主要是通过喷涂或浸涂的方法将待镀材料的溶液(一般为可溶性盐溶液),均匀地涂覆于加热的衬底上,使喷涂或浸涂上的溶液发生水解反应,从而形成透明导电膜。

ZnO透明导电薄膜结构与特性

沈阳工业大学

毕业实习报告题目：ZnO透明薄膜结构与特性研究

班级： ________________

学号：_________________

姓名：__________________

沈阳工业大学应用物理系制

2012年10月

ZnO透明薄膜结构与特性研究

摘要：ZnC是一种适用于在室温或更高温度下应用的短波长发光材料，在光电子器件领域有着广阔的应用前景。

本论文利用溶胶一凝胶法制备透明ZnO导电薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM^HX射线衍射(XRD)测试，结果表明

薄膜具有明显择优取向生长，分光光度计测试的370nm以下的紫外光全部吸收，而在可见光透过率高达85%。

通过在胶中制备A13+掺杂的ZnO薄膜并进行光电特性方面的研究。发现有如下结果:(1) ZAO薄膜仍保持着ZnC六角纤锌矿结构；(2)ZAO的光致发光峰较ZnC发生蓝移;(3)ZAO的拉曼光谱随A13+的掺杂浓度不同发生改变；(4)A1 3+的引入,薄膜的导电性能提高，在Af+掺杂浓度为1%并在700度退火处理时，电导率可达1.3x1O3S/cm。

关键词：ZnO 光电材料透明薄膜溶胶-凝胶法Al 3+掺杂光学性能六角纤锌矿电导率

第一章引言

1.1 ZnO的基本特性及应用

ZnO作为一种多功能的n —vl族直接宽禁带化合物半导体材料，多年来一直受到研究者的青睐，主要原因是由于ZnO材料的光电、压敏、气敏等特性以及它的无毒性，低成本等原因。含过量Zn的ZnO: Zn很早就被作为一种场发射材料来研究，用于场发射低压平板显示ZnO纳米粒子比表面大，表面有很多氧空位和悬键，其表面吸收和光催化活性强，可用作光催化材料，由于ZnO在可见光区几乎没有吸收，Al、Ga等元素

热处理对溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜性能的影响

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅＺｎＯｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｏｎｔｈｅｇｌａｓｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｂｙｓｏｌ－ｇｅｌａｎｄｒｏｔａｔｉｎｇｆｉｌｍｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈ
ｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｕｓｉｎｇＸ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ，Ｕ、，－Ｖｉｓｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄｓｃａｎｎｉｇｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏ — ｓｃｏｐｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅｐｈａｓｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆＺｎＯｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｅｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｈａｓｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆＺｎＯｔｈｉｎｆｉｌｍｓａｒｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｗｉｔｈｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅｇｒａｉｎｓｉｚｅｏｆＺｎＯｔｈｉｎｆｉｌｍｉｎ — ｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｇｒａｄｕａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍｉｎｃｒｅａｓｅｄ．

溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜及其表征

收稿日期：０７０ — ７２０ — ４１
基金项目：国博士后基金资助项目（００９８８中２６３０７）０
潘吉浪，尹荔松，高松华，向成承，李婷，闻立时
（中南大学物理科学与技术学院，湖南长沙４０８）１０３
摘要：用溶胶一凝胶法在普通玻璃表面制备了ＺＯ薄膜，ｎ并通过ＸＤＳＭ、ＶＶＳＤＣＴＡＲ、Ｅｕ — Ｉ、Ｓ — Ｇ等测试手段对ＺＯ薄膜进行了表征。究表明：ｎ研溶胶一凝胶法制备的ＺＯ薄膜透明，ｎ薄膜表面均匀分布着片状ＺＯ晶粒；ｎ随着退火温度的升高，ｎＺＯ晶粒在１～０ｍ范围内７３ｒｉ逐渐增大。关键词：ｎＺＯ薄膜；溶胶一凝胶；晶粒尺寸
定地提拉基片，每提拉一层，即放入８ ℃的恒温立０
干燥箱中干燥１ｒｉ，出自然冷却后，０ｎ取ａ再重复上
述步骤，至达到所需厚度，后以２ｍｉ率直最￣／ｎ速升温至所需温度恒温退火２，自然冷却至室温，ｈ
０引言
ＺＯ为一种用途广泛的传统材料具有独特ｎ作
的物理化学性能，非迁移性、如荧光性、电性、压光

溶胶-凝胶法制备Na／Mg共掺ZnO薄膜的特性研究

Ｍｇ共掺ＺｎＯ薄膜将是一种很好的紫外发光材料。霍尔效应分析结果表明，Ｎａ／Ｍｇ共掺杂可将ＺｎＯ薄膜导电性从Ｎ型转变为Ｐ型，且使电阻率有很大幅度的增加。
关键词ＺｎＯＮａ／Ｍｇ共掺溶胶一凝胶薄膜文献标识码：Ａ中图分类号：ＴＱ１７４；０４７２．３
Ｎａ／Ｍｇｃｏ－ｄｅｐｅｄＺｎＯｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｓｏｌ－ｇｅｌｓｐｉｎ－ｃｏａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｂｙｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａ－
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＮａ／ＭｇＣｏ－ｄｏｐｅｄＺｎＯＴｈｉｎＦｉｌｍｓ
ＤｅｒｉｖｅｄｂｙＳｏｌ — ＧｅｌＭｅｔｈｏｄ
ＺＨＡＮＧＣａｉｚｈｅｎ，ＣＨＥＮＹｏｎｇｇａｎｇ。，Ｌ１ＵＳｕ。，ＷＡＮＧＹｏｎｇｓｈｕｎ
（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０；

正交试验优化溶胶凝胶法制备纳米氧化锌

纳米材料一直是材料科学的研究热点，国外对纳米氧化锌制备研究和应用起步于二十世纪50年代[2]，二十一世纪初，中国的纳米科技已展现出勃勃生机[3]。

我国对纳米材料的制备及应用方面的研究逐步深入，可采用气相、固相和液相三种方法进行制备[4]。纳米ZnO 作为一种宽禁频射带的新型半导体光催化剂，由于

其热稳定性和半导体光电化学性能较为优异，且不会产生毒害，成为最具有发展前景的绿色环保型半导体光催化剂之一[5]。研究发现，粒径较小的ZnO 光催化性能更好，因此为了得到粒径小、性能好的ZnO 粉体，研究人员正在积极研究和开发纳米ZnO 生产的各种技术和方法，如物理法和化学法。本文采用溶胶凝胶法制备纳米氧化锌颗粒。

1实验部分

1.1仪器和试剂

FA2204B 电子天平，上海越平科学仪器有限公司；

DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；SHZ-D （Ⅲ）循环水式多用真空泵，上海秋佐科学仪器有限公司；DH 系列恒温干燥箱，合肥右科

仪器设备有限公司；SX-2.5-10箱式电阻炉控制箱，天津市泰斯特仪器有限公司；UV1801紫外-可见分光光度计，北京瑞丽分析仪器公司；JK-50B 超声波清洗仪，合肥金尼克机械制造有限公司；TG15-SW 台式离心机，CENCE 湘仪。

二水合醋酸锌、草酸、柠檬酸三铵，分析纯，国药集

团化学试剂有限公司；无水乙醇，分析纯，上海振企化学试剂有限公司。1.2纳米氧化锌制备工艺

（1）称取计量的草酸，溶于计量的无水乙醇中配成无水乙醇溶液。

（2）称取计量的醋酸锌，溶于计量的蒸馏水中配成醋酸锌水溶液，并加入计量的柠檬酸三铵表面改性剂。

纳米结构ZnO的制备及性能研究

一、本文概述

氧化锌（ZnO）是一种重要的半导体材料，因其独特的物理和化

学性质，在纳米科技领域引起了广泛的关注。纳米结构ZnO的制备及性能研究对于推动材料科学、电子学、光电子学、生物医学等多个领域的发展具有重要意义。本文旨在深入探讨纳米结构ZnO的制备方法、结构特性、以及其在各种应用场景中的性能表现。

本文将概述纳米结构ZnO的基本性质，包括其晶体结构、能带结构、光学特性等。随后，我们将详细介绍几种常见的纳米结构ZnO制备方法，包括物理法、化学法以及生物法等，并对比各种方法的优缺点。在此基础上，我们将重点关注纳米结构ZnO的性能研究，包括其电学性能、光学性能、光催化性能、以及生物相容性等。我们将通过实验数据和理论分析，全面揭示纳米结构ZnO的性能特点及其在不同应用场景中的潜在应用价值。

本文还将展望纳米结构ZnO的未来发展趋势，探讨其在新能源、环保、生物医学等领域的应用前景。我们希望通过本文的研究，能够为纳米结构ZnO的制备和性能优化提供有益的参考，推动其在各个领域的实际应用。

二、ZnO纳米结构的制备方法

ZnO纳米结构的制备方法多种多样，主要包括物理法、化学法以及生物法等。这些方法的选择取决于所需的ZnO纳米结构的尺寸、形貌、纯度以及应用的特定要求。

物理法：物理法主要包括真空蒸发、溅射、激光脉冲沉积等。这些方法通常在高温、高真空环境下进行，能够制备出高质量的ZnO纳米结构。然而，这些方法通常需要昂贵的设备和复杂的操作过程，限制了其在大规模生产中的应用。

化学法：化学法因其设备简单、操作方便、易于大规模生产等优点，在ZnO纳米结构制备中得到了广泛应用。其中，溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、水热法和微乳液法等是常用的化学制备方法。例如，溶胶-凝胶法通过控制溶液中的化学反应，可以制备出具有特定形貌和尺寸的ZnO纳米颗粒。化学气相沉积法则可以通过调节反应气体的流量、温度和压力等参数，实现ZnO纳米线的可控制备。

溶胶-凝胶法制备K—N共掺ZnO薄膜的结构及光学特性

（ＡＲ）］、氯化钾［ＫＣ１］和氯化铵［ＮＨＣ１］为溶质，乙醇为溶剂，二乙醇胺［ＥＨＮ（ＣＨＣＨ。ＯＨ）（ＡＲ）］作稳定
剂。先称取一定量的乙酸锌溶于１０ｍＬ乙醇，配置成
１引言
光谱；溶胶一凝胶法中图分类号：０４７２文献标识码：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／．ｉｓｓｎ．１０Ｏ１＿９７３１．２０ｌ３．２２．０２０
２实验
２．１ＺｎＯ薄膜的制备实验选用乙酸锌［Ｚｎ（ＣＨ。ＣＯＯ）・２ＨＯ
成薄膜的颗粒变大，并表现出Ｃ轴择优生长特性，同时掺杂导致的氧空位缺陷也在增加，使得绿光发射增强，薄膜的光学带隙先增后减。关键词：ＺｎＯ薄膜；Ｋ — Ｎ共掺杂；光学带隙；光致发
子显微镜、荧光分光光度计、紫外一可见分光光度计对
法等。较之前面的方法，溶胶一凝胶法工艺简单，易于实现分子级掺杂和大面积低成本制备薄膜。本文采用溶胶一凝胶法在ｓｉ衬底上制备Ｋ— Ｎ共掺杂ＺｎＯ薄膜，并利用ｘ射线衍射仪、扫描电子显微镜、荧光分光光度计、紫外一可见分光光度计等测试手段对所制薄膜

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光电技术学院

2010级工程实践研究报告

项目名称：溶液凝胶法制备ZnO薄膜及其光电性能

研究

所在专业：应用物理10级

导师姓名：李旭

成员姓名：杜发洪杜沫瑶肖品诚乔严明

谭勇邓鹏辉阳熊

提交日期：2013年01月

溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜及其光电性能研究

摘要

宽禁带ZnO半导体为直接带隙材料，具有六方纤锌矿结构，较高的激予束缚能(60meV)，室温下带隙宽度为3．3eV。高质量的外延ZnO薄膜的制备己成为宽禁带半导体集成器件的关键技术。ZnO不仅是继GaN之后紫外发射材料研究的又一个研究热点，而且近年来ZnO薄膜作为ITO薄膜的很有发展前景的替代材料，正引起人们日益广泛的关注。掺杂Al的ZnO(AZO)薄膜，由于具有与ITO薄膜相比拟的对可见光的高透过率和高电导，又因其在氢等离子体的高稳定性等优点，已成为替代ITO透明导电薄膜的研究热点。

制备ZnO薄膜的方法有很多如溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、溶胶一凝胶法等等，然而从实际应用的角度，这些方法大多需要真空设备，成本相对较高。而溶胶一凝胶法则避免了这点，并能在各种基片上制备均匀掺杂的薄膜。本论文研究了在载玻片和si基片上，溶胶一凝胶法工艺条件对薄膜的结晶、取向状况以及薄膜形貌等的影响，并探讨了溶胶一凝胶法制各ZnO 薄膜过程中，工艺条件对其性能的影响，以此改善工艺条件来优化薄膜结构。还研究了掺A1的ZnO薄膜的结构性能与电阻率、透射率之间的关系。

关键词：溶胶一凝胶法；ZnO薄膜；AZO薄膜；C轴择优取向：电阻率

1引言

氧化锌(ZnO)属于六角晶系6mm点群，具有纤锌矿结构，是一种新型的II 一Ⅵ族宽禁带半导体材料。氧化锌的优越性能主要是强烈的紫外吸收和低阀值高效光电特性，显著的量子限域效应，紫外激光发射以及压电、光催化以及载流子传输等方面的性质。因而氧化锌薄膜在半导体光电器件的集成和微型化领域占有重要的地位【1】。

最近30多年来围绕着氧化锌薄膜的晶体结构、物化性能、成膜技术以及相关的器件开发等展开了广泛且深入的研究，使得它的各项性能和应用都获得了显著的进展。许多应用氧化锌薄膜制作的电子器件已经得到了广泛的应用，比如在SAW(Surface Acoustic Wace，声表面波)器件上ZnO薄膜的应用，以及在透明电极、光电器件、蓝光器件等方面也有很大的应用潜力【2】。在室温下高质量ZnO薄膜紫外激射的实现，使其成为一种理想的短波长发光器件材料，使这一领域倍受科研人员的重视。

掺杂A1“的氧化锌薄膜(AZO薄膜)是一种很有前景的材料，可以有效的取代透明导电薄膜ITO，用于太阳能电池(主要用作透明电极和窗口材料)，等离子体显示器以及建筑玻璃、汽车玻璃、冰柜玻璃等民用方面。目前，已经研究开发了许多ZnO薄膜的生长技术，有真空蒸发镀膜法、溅射镀膜法、射频反应离子镀膜法、喷射热解法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、溶胶一凝胶法等方法。

除了溶胶一凝胶法外，这些技术大多需要真空设备，生产成本高，不易实现工业化生产。溶胶一凝胶法是从纳米单元开始，在纳米尺度上进行反应，最终制备出具有纳米结构特征的材料，是制备纳米材料的特殊工艺。并且，溶胶一凝胶法制备纳米材料，具有工艺简单、易于操作、成本低的特点，己成为制备ZnO 薄膜的一种极受欢迎的化学制膜方法，且越来越受到人们的关注【3】。

以下将就ZnO的晶体结构和基本性质、制备方法及研究应用等方面做简要介绍

2ZnO薄膜的特点

ZnO是6mm点群对称的六角晶系纤锌矿晶体。锌原子占据层与氧原子占据层交替排列“【4】。若是以氧原子(或锌原子)位于整个六角柱大晶胞的各个角顶和底心以及组成六角柱的六个三角柱中相隔的三个三角柱的体中心，形成与六角密堆积相似的配置，而锌原子(或氧原予)可以看成是填塞于半数氧原子(或锌原子)的四面体中心。实际上，每个离子的环境不具有精确的四面体对称性。在六角或C轴方向上最近邻的间距与其它三个方向的相比有点小。晶格常数a=3．249A，c=5．202 A，c／a=1．601。在C轴方向上，近邻的锌离子与氧离子间的距离d=1．96A，其余三个方向上为1．98 A。纤锌矿结构可以看成是由平行于(0001)面的A—B“原子偶层”构成，其有效离子电荷约为卜1．2，这样就产生了一个极性的C轴。

天然氧化锌是纤锌矿单晶。深红色氧化锌晶体含有百分之几的杂质，通常这些杂质是锰和铁。纯氧化锌可通过锌的燃烧或通过煅烧氢氧化锌、碳酸锌、硝酸锌制得。在制备和合成氧化锌晶体上的实质性困难在于氧化锌在常压下不熔化。氧化锌是一种两性氧化物，溶于酸、氢氧化钠和氯化铵溶液，不溶于水或乙醇。高温时呈黄色，冷却后恢复白色，加热至1800℃升华。

纯净的ZnO晶体是无色的，具有较宽的带隙和较高的激子束缚能(约60meV)，吸收边位于紫外区，4．2K时的禁带约为3．38电子伏特，300K时约为3．4电子伏特“。非化学配比的锌过剩或氧缺位会增加n型电导率。

3溶胶一凝胶法制备薄膜的方法

在薄膜制备方面溶胶．凝胶工艺比其它传统工艺有极大的优势，因为s01．gel 过程具有的优点：首先采用溶胶．凝胶工艺很容易对所制各的氧化物薄膜进行定量掺杂：其次溶胶．凝胶工艺过程简单，无需任何真空条件和复杂设备；第三采用溶胶．凝胶工艺可以在任意形状的基底上制各薄膜，并且采用溶胶一凝胶工艺制备的薄膜含有众多的分布均匀的微孔，这使得其比表面积大大增加，并且透气性极好。这一点对于制备气敏材料、薄膜催化剂尤为重要。

利用溶胶一凝胶法在基片上沉淀氧化物薄膜的方法有浸涂、旋涂和喷涂等。（1）浸涂法

浸涂法是将整个清洗干净的基板浸入溶液中，然后以一定速率平稳缓慢的提拉出来。提拉涂覆的工艺应用范围很广，对于大型涂件来说更为经济。通常大型玻璃的尺寸达3-4m，将其浸入溶胶浴中，然后小心的以恒定速率提升，提升操作应保持平稳且无震动，而且应十分缓慢，借以协调溶剂蒸发和凝胶速度，由于重力和粘度的作用在基板表面形成一层均匀的溶胶膜。提升基板时，虽有部分溶胶会沿基板方向流，但垂直方向膜的厚度分布仅与溶胶浓度、表面张力、粘度、