氧化锌薄膜的紫外光致发光的低能带尾发射
探究掺杂对ZnO薄膜禁带宽度的影响因素
探究掺杂对ZnO薄膜禁带宽度的影响因素李静;郭米艳【摘要】本文分析了ZnO的能带和态密度,总结了几种典型元素掺杂对ZnO薄膜禁带宽度的影响规律及作用机理,得出影响ZnO薄膜禁带宽度的主要因素：掺杂浓度、温度、厚度、带电粒子间的多体效应、杂质及缺陷带与导带的重叠。
【期刊名称】《江西化工》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】4页(P4-7)【关键词】掺杂;禁带宽度;ZnO薄膜【作者】李静;郭米艳【作者单位】华烁科技股份有限公司,鄂州436000;盐光科技有限公司,鄂州436000【正文语种】中文【中图分类】O484.411 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－Ⅵ族宽禁带直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度约为3.3eV，由于ZnO具有60meV激子束缚能(室温的热离化能为26meV)以及很强的紫外受激辐射，在短波长发光器件如LEDs、LDs具有很大的发展潜力［1］，成为继 GaN之后在宽禁带半导体领域又一研究热点。
要获得高性能的紫外发光器件，异质结的制备是关键的问题之一，而实现ZnO能带调节是制备ZnO基结型器件的前提。
述上成发近几年有很多人从事能带剪裁工作，取得了一定的进展。
随着能带剪裁工程的日益成熟，人们希望能找到与ZnO材料晶体结构相同，晶格常数相近，禁带宽度更近的材料以便拓宽ZnO的应用范围。
通过掺入Mg和Cd等元素可使ZnO 的带隙在2.4 eV至7.9 eV之间可调，从而为制备蓝光、绿光、紫光等多种发光器件提供了可能［2］。
本文在阅读大量文献的基础上，总结了掺杂元素对禁带宽度的影响，并就其作用机理进行了重点评述。
2 ZnO掺杂现状目前ZnO主要是n型掺杂和p型掺杂。
n型掺杂主要是Ⅲ族元素(如B、Al、Ga.、In等)，尤其对掺Al的研究最多。
第Ⅲ主族元素的最外层是三个电子，以三价离子代替Zn的二价离子，出现多余一个电子而成为施主杂质。
这个多余的电子只需要很少的能量，就可以摆脱束缚成为氧化锌薄膜中做共有化运动的电子，也就成为导带中的电子。
氧化锌薄膜的光电特性研究进展
文章编号:1673-2103(2009)05-0083-04氧化锌薄膜的光电特性研究进展3张铭杨,李世帅(济南大学理学院,山东济南250022) 摘 要:由于氧化锌特殊的结构及在光电等方面的广泛应用,关于氧化锌的光电方面的研究引起了人们极大的兴趣.综述了氧化锌薄膜在短波激光、透过率、电子特性方面的研究进展,对今后的研究方向进行了展望.关键词:氧化锌薄膜;光电特性;进展中图分类号:O484.4 文献标识码:A 氧化锌(Zn O)具有六方纤锌矿结构(晶格常数a=0.3249n m,c=0.5206n m),是一种重要的宽带隙(室温下3.3e V)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,它的激子束缚能为60me V,远大于Ga N的25me V 和ZnSe的22me V.由于Zn O薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化.这些优异的性质,使其具有了广泛的用途,如表面声波器件、平面光波导,透明电极,紫外光探测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件、气敏传感器等.在短波区域,Zn O可用于制造紫外发光器件和紫外激光器,对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用.近年来,围绕Zn O薄膜的研究在各个领域展开.其中Zn O薄膜的重要研究领域集中在光电性能的研究,且取得了较大的进展.本文对近年来ZnO薄膜在光电方面的研究进行了综述,以利于为Zn O方面的研究者提供一个综合的研究平台.1 Zn O发光特性的研究1.1 Zn O在短波长发光方面的研究进展ZnO由于具有和Ga N相似的晶格结构,其禁带宽度也近于相等,对衬底没有苛刻的要求,生长温度低,而且很容易成膜,是Ga N最好的替代物.Zn O室温下的禁带宽度为3.37e V,激子束缚能为60me V,更适合于在室温或更高温度下实现高功率的激光发射[1],在紫外波段(360～380nm)有较强的激射.为了适应图像显示和计算机高密度存储的需要,人们研制成功了短波段发光二极管和激光二极管.目前, Ga N系列激光器己经研制成功,Ga N蓝绿光LED已经批量生产,寿命超过10000h的Ga I nN蓝光激光器已经实现[2].1996年,P.Yu[3]首先报道了ZnO薄膜的光泵浦紫外激射,2001年Science报道了利用Zn O量子线制作的世界上最小的光泵浦激光器[4].目前的研究正朝着开发紫外、蓝光和绿光等多种波段发光器件开展.在科研方面,1996年第一篇关于ZnO微晶结构薄膜在室温下光泵浦紫外受激发射报道发表[5]. 1997年,日本和香港的科学家在室温下实现了光泵浦Zn O薄膜紫外激光,引起科学界的不小震动.这种材料重新引起人们的注意并迅速成为半导体激光器件研究的国际新热点.1997年5月Science第276卷以W ill UV Lasers Beat the B lues?为题对此作了专门报道,称之为A great work.1999年10月在美国代顿召开了ZnO专题国际研讨会.在国内,Zn O 薄膜在发光领域的应用前景也得到重视,并取得突破性进展.山东大学在1994年用射频偏压溅射法制备了具有快速紫外光响应的六角密排结构Zn O 薄膜[6];1999年1月复旦大学在物理杂志上发表了Zn O发光研究的综述文章,综述了1997年以前Zn O量子点结构激光研究的成果;中国科技大学于1997年在硅衬底上成功生长ZnO单晶薄膜[7], 1998年实现了改变生长条件控制发射光谱成分,在室温下用电子束激发,获得了具有随激发密度超线性增强的近紫外(390nm)发射.第31卷第5期Vol.31 No.5 菏泽学院学报Journal of Heze University2009年9月Sep. 20093收稿日期:2009-09-08基金项目:山东省自然科学基金资助项目(Y2008A21);济南大学博士基金资助项目(XBS0833)作者简介:张铭杨(1964-),男,山东禹城人,高级实验师,研究方向:大学物理实验.1.2 Zn O薄膜透过率方面的研究透明电极研究是透明导电氧化物薄膜的一种最普遍的应用研究.研究之一是平板显示器.随着平板显示器向大面积和快显示速度等方面的发展,对透明导电氧化物薄膜的要求也相应提高.从分辨率提高的角度,要求透明电极的刻蚀性和表面平整度要更好.透明电极一般通过Zn O掺杂来实现.研究之二,是在太阳能电池中作为顶电极使用.太阳能电池是利用光电效应原理,将太阳光能转化为电能.透明导电氧化物薄膜允许太阳辐射几乎无衰减地直接到达激活区,因而太阳能电池在高能谱区的灵敏度得到提高;另外,透明导电氧化物薄膜还可以用于激活区的抗反射层.用于太阳能电池的薄膜要求制备成本低廉;热稳定性好;功函数高;最好在低温下沉积. Zn O或以Zn O为基础材料的掺杂材料很好地满足了以上条件.其它方面的研究还有:电致变色窗、触摸屏、电子照相和气体传感器等.对Zn O光学性质的研究已进行了十几年,光致发光的研究可归结为两类:近带边紫外发光(NBE)和深能级(DL)发射.紫外(UV)发射的机制已被公认,它被归因于从近导带到价带的激子跃迁;可见发射中心仍然存在很大的争议.人们认为可见发射来自不同的缺陷和杂质.其中缺陷发光包括点缺陷如氧空位、Zn空位、氧填隙、Zn填隙及氧反位等,和结构缺陷发光如:晶格失配、晶界及晶粒取向等.在杂质发光中,最初被认为是与二价铜杂质有关[8],Van 等人[9]认为氢是杂质发射之一;但W ang[10]的研究认为在他们制得的薄膜中即使氢存在,其浓度也是微不足道.目前的杂质发射除了故意掺杂(如A l、Mg、I n等)的杂质发射外,较少报道其他杂质的发射.因此,对Zn O固有缺陷的基本了解仍然是缺乏的.对主导Zn O可见发射的缺陷种类至今仍在争论中.因此制备高质量的ZnO薄膜、提高薄膜的化学配比、对固有缺陷的控制、减少缺陷一直是科学工作者研究的重点[11].2 Zn O电子特性方面的研究 ZnO在超声换能器、B ragg偏转器、频谱分析器、高频滤波器、高速光开关及微机械上有相当广泛的应用,这些器件在大容量高速率光纤通信、光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、进行光信息处理等民用和军事领域的应用非常广泛. Zn O薄膜具有优良的压电性能,且有良好的高频特性,较强的机电耦合系数,低介电常数,是一种用于表面声波(S AW)的理想材料[12].压电性是指电介质在压力作用下发生极化而在两端表面间出现电位差的性质.对用于S AW器件的ZnO薄膜,要求要有良好的C轴取向,从而具有高的声电转换效率;晶粒细小,以减少对S AW的散射,降低S AW的传输损耗;电阻率高,以降低S AW器件的工作损耗;薄膜中缺陷密度很低,使S AW的传输损耗小.目前,日本村田公司已在蓝宝石衬底上外延Zn O薄膜制作出低损耗的1.5GHz的射频S AW滤波器,正在研究开发2GHz的产品[13].ZnO材料也被用于压敏电阻、气敏和湿敏等电子元件.Zn O薄膜最初的应用是利用其压电性能制造声表面波器件[14],包括甚高频表面声波器件(S AW)和超高频S AW器件的研究[15].由于ZnO薄膜在可见光区域的高透射率及导电性,使其在太阳能电池和平面显示的研究占有相当大的领域.ZnO薄膜在一般情况下呈现较大的电阻率,但掺杂(如Mg、A l 或I n等)能大大地降低薄膜的电阻率,并能改变其禁带宽度.这使其能成为一种重要的电极材料如太阳能电池的透明电极、液晶元件电极等.在室温下,纯净理想的化学配比的ZnO是绝缘体,而不是半导体.其自由载流子浓度仅为4 m-3[15],比半导体中的自由载流子浓度(1014～1025 m-3)和金属载流子浓度(8×1028m-3)要小得多.但是由于氧的蒸气压高而呈金属过剩型,晶体中Zn/O 比例大于1,使得Zn O偏离理想化学配比,形成氧缺失[16].单晶Zn O呈现出N型,载流子浓度可在一个很大的范围内变化(10-4～106m-3).由于制备条件的不同,Zn O薄膜多呈现出不同的缺陷,这些缺陷呈现的载流子多为电子导电形式,因此无论单晶还是多晶ZnO都呈现N型半导体.不掺杂的ZnO薄膜的电阻率虽然可以达到10-4Ω・c m[17],但性能不稳定.通过掺杂,ZnO薄膜的电阻率可最低降至10-4Ω・c m,载流子浓度可达1019m-3.因此近几年ZnO电子特性的研究主要集中于掺杂,主要有A I、Ga、B、I n、Si等.目前,稳定高效的Zn O P型掺杂及可控技术研究已成为研究者的技术攻克点.Zn O的N型掺杂技术较易实现,但P型掺杂技术较难实现,其原因是:Zn O中存在较多本征施主缺陷(Zni,Vo)和H 点缺陷形成受主补偿[18].由于受主杂质在ZnO中固溶度的限制,较难提高受主浓度.此外,大多数受主能级都比较深,还导致掺进去的大部分受主不能电离而提供空穴.但也有实现未掺杂本征P型ZnO的2009年 菏泽学院学报 第5期报道[19].一般以V主族元素掺杂物为主,如:N、P、A s、Sb、B i.它们替代O后将形成受主,但是其中的大多数的受主的能级较深,要获得高空穴浓度,必须有很高的受主有效掺杂浓度.其中以N掺杂最为普遍[20],他们获得的载流子浓度高达1018m-3,电阻率最低为2Ω・c m[21].也有一些针对于P掺杂的研究,且具有较好的稳定性.Chen[22]等人通过热蒸发P2O5作为P掺杂源,使用MOCVD方法获得了性能良好的P型Zn O薄膜,其最好的电学特性为:载流子浓度1.61×1018m-3,电阻率4.64Ω・c m.A s的掺杂已获得了更好的电子特性,Look[23]等人利用蒸发溅射技术得到了较好的P型Zn O薄膜,其电阻率最低达0.4Ω・c m.目前,已经有研究人员将目光投向双重受主的共掺杂[24].双受主共掺能够避免施主-受主共掺法中施主对P型电导的负面影响,这也许能成为更实用的P型ZnO掺杂技术.但P型结构的稳定性仍是需要进一步研究的问题.在Zn O-P型掺杂技术解决之后,P-N结的制备及各种器件的研究被许多科研工作者作为研究的重点.鉴于Zn O P型掺杂的困难,一些研究者[25]以Zn O作为N型导电层,其它半导体材料作为P型导电层,获得了比较好的结果.Zn O基异质P-N结表现出较好的电致发光性能,但是也有很大的缺点: Zn O和这些异质材料之间存在的晶格失配,会严重降低器件的量子效率.其次,异质P-N结的制备需要两层不同的材料,工艺复杂,成本很高.所以,Zn O 半导体光电材料如果要和Ga N一样在很多领域得到广泛的应用,就必须制备出性能优良的同质P-N 结.诸葛飞[26]采用直流反应磁控溅射沉积A1-N 共掺ZnO薄膜,制备出性能较好的P型Zn O薄膜和N型Zn O薄膜,在此基础上制备了ZnO同质P-N 结.徐伟中[27]采用MOCVD方法制备得到了单晶Zn O薄膜、纳米管、纳米线、纳米网络和氮掺杂P型Zn O薄膜等,并成功制备了Zn O同质发光二极管.该Zn O同质LE D具有典型的二极管整流I-V特性,开启电压约为2.3V,在继日本研究者之后第二个实现Zn O同质P-N结室温电注入发光.赵伯钧[28]以Zn O/R-A l2O3和ZnO/D ia mond/Si结构为基片初步研制了声表面波滤波器.通过网络分析仪测试了器件的频率特性,在Zn O/R-A l2O3器件上首次获得了高阶模中心频率为1.65G Hz的高频滤波特性.在Zn O/D ia mond/Si结构的器件上也获得了中心频率为869MHz的滤波器件.万清采用电子束蒸发法结合后续退火工艺首次制备了埋嵌有Ge纳米晶的高K栅介质(A l2O3,Zr O2)形式的金属-绝缘体-半导体(M I S)结构.电容-电压测试曲线出现了明显的回滞现象,证实了Ge纳米晶的电子存储特性.并首次探索研究了ZnO纳米线的室温氢存储特性.实验发现,室温3.03MPa下Zn O纳米线的氢存储重量百分比可以高达0.83%,而且所存储71%的氢可以在室温、大气压下释放出来,并首次研究了四角状ZnO纳米结构的光催化特性.目前ZnO的研究方向及Zn O基紫外激光的研究可分为以下几个方面.1)高质量、大尺寸ZnO单晶制备技术中的关键科学问题研究,高质量ZnO单晶膜、Zn O基单晶膜及其紫外受激发射的研究.2)高质量ZnO基外延薄膜制备及能带调节研究.3)稳定高效的ZnO P型掺杂及可控技术研究.4)Zn O中缺陷、杂质的行为、电子输运机理研究和不同器件的结构设计与制备.5)颗粒微晶结构ZnO粉末、Zn O纳米线及六角柱形峰巢状纳米微晶Zn O膜等复杂微晶结构及其紫外受激发射的研究.6)其它微晶结构(包括金字塔状和锥形状结构等)和Zn O基三元金属化合物及其紫外受激发射的研究.参考文献:[1] Ya mada M,M ishina Y.Dyan m ics of dense excit onic sys2tem s in ZnSe-based single quantu m wells[J].PhysicsRevie w B,1995,52(4):82289-82292.[2] Maruska H P,Tietjen J J.The p reparati on and p r opertiesof vapor-deposited single-crystal-line Ga N[J].Ap2p 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Shandong250022,China)Abstract:Because of the s pecial structure and wide app licati on of Zn O in op t oelectr onics,the study of it has ar oused great interest.The paper su mmarizes the research p r ogress of ZnO in short wavelength lasers,op tical trans2 m ittance,and electr onic p r operties.Finally the paper makes s ome p r os pect about the directi on of the research.Key words:Zn O thin fil m s;op t oelectr onic p r operties;p r ogress2009年 菏泽学院学报 第5期。
ZnO薄膜生长取向及紫外发光的研究的开题报告
ZnO薄膜生长取向及紫外发光的研究的开题报告
一、选题背景
氧化锌（ZnO）是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景，如光电器件、能量转换器件、生物传感器等。
ZnO薄膜作为一种重要的薄膜材料，在这些应用中发挥着重要的作用，其取向性及光电性能对其应用性能具有重要影响。
因此，对ZnO薄膜的取向及发光性能进行研究具有重要意义。
二、研究目的
本研究旨在探讨不同条件下ZnO薄膜生长的取向性以及其紫外发光性能，通过一系列表征方法研究生长条件对ZnO薄膜取向及光电性能的影响，为其在光电器件等领域的应用提供理论和实验基础。
三、研究内容
1. 制备ZnO薄膜
通过物理气相沉积（PVD）技术，在不同温度、不同气压、不同沉积时间的条件下生长ZnO薄膜。
2. 薄膜取向性表征
通过X射线衍射（XRD）技术对ZnO薄膜的取向性进行表征，研究生长条件对取向性的影响。
3. 光电性能表征
通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和荧光光谱技术对ZnO薄膜的光电性能进行表征，研究生长条件对其发光性能的影响。
四、研究意义
本研究旨在探究ZnO薄膜的取向性及光电性能，为其在光电器件和能量转换器件等领域的应用提供基础性研究支持。
具有较高的应用价值和理论研究意义。
王克伦纳米结构氧化锌半导体zno薄膜的室温紫外激光发射 -回复
王克伦纳米结构氧化锌半导体zno薄膜的室温紫外激光发射-回复题目：王克伦纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜的室温紫外激光发射引言：纳米科技已经深入各个领域，广泛应用在材料学、电子学、光学以及生物医学等领域。
其中，纳米结构的氧化锌半导体ZnO薄膜因其在室温下能够发射紫外激光，引起了广泛的研究兴趣。
本文将深入探讨王克伦提出的一种新型的方法来制备具有纳米结构的氧化锌半导体ZnO薄膜，并在室温下实现紫外激光的发射。
一、氧化锌半导体ZnO薄膜的概述1. 简介氧化锌(Zinc Oxide, ZnO)是一种广泛应用在光电器件中的半导体材料。
具有宽能隙、高效率、低成本等特点，使其成为近年来研究的热点之一。
2. 薄膜制备方法当前，制备氧化锌半导体ZnO薄膜的常用方法主要有磁控溅射、分子束外延和溶液沉积等。
然而，这些方法存在着成本高、温度要求高等问题，因此需要寻找更加有效且低成本的制备方法。
二、纳米结构的氧化锌半导体ZnO薄膜的制备方法1. 王克伦提出的方法王克伦等学者提出了一种制备纳米结构的氧化锌半导体ZnO薄膜的新方法。
他们使用溶液沉积法，并结合了后续的热退火和掺杂步骤，成功地制备出了具有纳米结构的ZnO薄膜。
2. 实验步骤（1）制备溶液：将适量的锌盐和有机溶剂混合，并加热搅拌，以制备出溶液；（2）溶液沉积：将制备好的溶液通过旋涂或喷涂等方法涂覆在合适的基片上；（3）热退火：将涂覆好的基片在一定的温度下加热退火，使溶液中的有机物脱除，形成ZnO薄膜；（4）掺杂：在退火后的薄膜上进行掺杂处理，以改变薄膜的电学性质。
三、纳米结构的氧化锌半导体ZnO薄膜的室温紫外激光发射机理1. 紫外激光的发射机理当ZnO材料被外界激发时，电子和空穴会被激发到导带和价带之间的能级。
随后，电子和空穴通过辐射再组合的方式释放出能量，产生紫外激光。
2. 纳米结构的影响纳米结构的ZnO薄膜相较于常规结构的薄膜，在材料光学特性方面具有独特优势。
其较高的表面积使得电子和空穴的复合几率增加，有利于激光的发射。
氧化锌薄膜的作用
薄膜的作用氧化锌是重要的Ⅱ-Ⅳ族半导体氧化物，其禁带宽度和激子束缚能都高于GaN和ZnSe等蓝光发光材料；ZnO属宽带能带材料，具有3.37eV的直接带隙，在室温下就有光致发光效应。
能有效工作于室温及更高温度，而且光增举益系数高于GaN。
另外氧化锌与GaN具有极为相近的晶格常数和禁带宽度（3.37eV），在紫外光探测和发射方面具有很好的应用潜力。
同时它还具有很高的热稳定性和较强的抗辐射损伤能力，原料廉价，薄膜外延生长温度低。
这些估异特性使得氧化锌薄膜在表面声波器件，太阳能电池，气敏湿敏传感大器和压电器件等诸多领域得到广泛应用。
氧化锌薄膜是一种理想的透明电薄膜，可见光透射率高达90%。
氧化锌薄膜在器件中的应用研究表明：良好的C轴取向可以提高声电转换效率；平坦的表面可以减少SAW的散射，降低SAW的传播损耗；高电阻率可以降低SAW器件的工作损耗。
氧化锌可用于汽车前灯的光源-放电灯。
这种放电灯是一种紫外线灯，其放射的紫外线辐射对人体的健康是有害的。
紫外线照射眼睛时，可引起急性角膜炎；照射皮肤时，可引起血管扩张，出现红斑，过量照射可产生弥漫性红斑，并可形成小水泡和水肿，长期照射可使皮肤干燥，失去弹性和老化。
紫外线与煤焦油、沥青、石蜡等同时作用皮肤时，可引起光感性皮炎。
氧化锌薄膜可改变紫外线光谱，故能吸收紫外线辐射。
该薄膜对光线透明，会选择性吸收由前灯放射出的紫外线辐射。
这种氧化锌薄膜能防止人体接触紫外线辐射，避免紫外线对人体的伤害。
另氧化锌薄膜是一种气体敏感材料，氧化锌薄膜对酒精，丙酮等气体表现出良好敏感性。
其经某些元素掺杂之后对有害气体，可燃气体，有机蒸汽等具有良好的敏感性。
用其制备的传感器可用于健康检测，监测人的血液酒精浓度以及监测大气中的酒精浓度等。
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ZnO薄膜的光电性能及应用
ZnO薄膜的应用
压电传感器
所示ZnO压电薄膜表面 微机械传感器示意图。这种 新结构的器件既充分发挥了 表面微机械加工技术的优点, 又可利用ZnO材料的多功能 特性，与用体微机械技术制 作的集成化ZnO器件相比,可 大大简化其制作工艺和减小 器件尺寸,为研制集成ZnO薄 膜器件提供了一种有效的手 段。
空穴旋转，与氢原子类似。
ZnO的光致发光谱通常有紫外发射带和可见光发射带。紫外发射
带是来自于近带边的发射，是由于激子的复合。可见光发射带通常
与缺陷或杂质有关的深能级有关。
ZnO薄膜简介
ZnO薄膜主要用于太阳能电池，它与之前所 用的氧化铟锡( ITO) 和二氧化锡透明导电薄膜 相比，具有生产成本低，无毒，稳定性高( 特 别是在氢等离子体中) ， 对促进廉价太阳电池 的发展具有重要意义 。
ZnO薄膜的应用
湿度传感器
右图为ZnO薄膜湿 度传感器的结构示意 图。它是在陶瓷、玻 璃等绝缘基片上形成 一对叉指的检测电极， 再在叉指电极上部覆 盖用作湿敏元件的 ZnO薄膜。
ZnO薄膜湿度传感器的结构
ZnO薄膜的应用
ZnO镀膜光纤传感器
右图所示为ZnO镀膜 光纤传感器的几何结构， 其中的压电层为氧化锌 镀膜层，当内电极层和 外电极层之间的电压发 生变化时，光纤内产生 振荡声波，使得光纤的 折射率改变，在有光信 号通过时，其相位发生 变化，其本质是一种声 光谐振器。
ZnO薄膜的光电性质
纯净的理想化学配比的ZnO由于带隙较宽，是绝缘体，而不是 半导体，但是由于本身的缺陷，如氧空位、锌填隙等施主缺陷，使 其常常表现出N型导电。 在ZnO晶体的空位形成过程中，由于形成氧空位所需的能量比形 成锌空位所需的能量小，因此，在室温下ZnO材料通常是氧空位， 而不是锌空位。而氧空位产生了2价施主，使其表现出N型导电。同 时根据自补偿原理，氧空位的浓度和氧填隙的浓度之积是常数，当 氧空位的浓度很大时，氧填隙的浓度很小。锌空位的浓度较小，而 锌填隙的浓度则较大，因此，当在ZnO的晶体中氧空位占主导时， 表现出N型导电。
ZnO荧光薄膜的发光机理研究
电性，以承受较高的电流密度；（3）低的放气率，不能释放有害于阴极的
气体。ZnO：Zn 具有较低的阈值电压（几伏 ~ 十几伏）和较高的发光效
率，同时它的放气率较低，导电、导热性能良好，并且是一种非常稳定的
氧化物，因而 ZnO 作为样机荧光薄膜必然会具有良好的工作特性。
１． ＺｎＯ 绿光的发光机制
+
1.1 单个电离的氧空位 VO与价带之间的复合跃迁
宽度 3.2eV，同时由于人们普遍所认为 VO 为浅能级的施主，作者判定
VZn 为受主，从而推断出绿光来自于电子从浅能级施主 VO 到浅能级受
主 VZn 之间的跃迁。
1.3 锌填隙 Zni ZnO 的绿光的发射源于 ZnO 中的锌填隙也是较为普遍的一种观
点。例如：M.Liu[7]等人通过研究压缩的多晶粉体 ZnO 的阴极射线发光谱
论，则应减少薄膜中氧的含量。所以，可见薄膜绿光的发光机理仍需进
一步的研究。
２． 其它光的发光机制
除了蓝 - 绿光的发射外，ZnO 薄膜紫外光的发射也是人们关注的
焦点。然而不同于蓝 - 绿光的是紫外光的发光机理得到了人们的共识，
即：紫外光源于带边激子的复合[9,10]，其发光强度受薄膜结晶质量的影
响，结晶质量好的薄膜发射的紫外光的强度高。
此外，在研究 ZnO 薄膜的发光过程中，人们发现 ZnO 还可发射红
光、橙光、黄光和紫光。对于这些谱带的解释为：ZnO 红光与橙光与富氧
的 ZnO 结构[11]或与沉积过程中形成的自然缺陷[12]有关。黄光的发射与过
剩的氧形成的氧填隙[7]、或者与一种 ZnO2 的配比结构[3]有关。紫光来自 于晶界产生的辐射缺陷能级与价带之间的跃迁[13]。
tin orbital）计算 ZnO 中的几种本征缺陷：氧空位 VO、锌空位 VZn、氧填隙 Oi、锌填隙 Zni 以及氧位错缺陷 OZn 的能级如图 1 所示。计算得到从导带 底到 OZn 能级的能量差为 2.38eV，与绿风的能量大致相等，导带底与 Oi 的能量差为 2.28eV，也近似等于绿光的能量，但由于氧离子的半径
纳米结构氧化锌半导体zno薄膜的室温紫外激光发射
纳米结构氧化锌半导体zno薄膜的室温紫外激光发射引言1.1 概述纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜作为一种具有优异光学和电学性能的材料，近年来受到了广泛关注。
它不仅具有高透过率和低电阻率的特点，还表现出优异的紫外激光发射性能。
随着纳米技术的不断发展，人们对于纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜在光电器件和生物医学领域中的应用前景越来越感兴趣。
1.2 文章结构本文分为五个部分进行阐述。
首先是引言部分，对纳米结构氧化锌半导体ZnO 薄膜的室温紫外激光发射进行了概述，并说明了文章的结构。
接下来是第二部分，详细介绍了纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜的基本原理、室温下紫外激光发射机制以及制备方法和工艺技术。
第三部分探讨了纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜在光电器件和生物医学领域的应用前景，并指出了制备和性能优化方面所面临的挑战。
第四部分详细描述了实验方法和结果分析，包括ZnO薄膜制备过程、结构表征和光学特性测试以及实验结果的分析与讨论。
最后一部分是结论及展望，对纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜的室温紫外激光发射进行总结，并提出未来研究方向和展望。
1.3 目的本文旨在系统地探讨纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜在室温下的紫外激光发射特性。
通过对纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜基本原理、室温下紫外激光发射机制以及制备技术等方面进行研究，进一步探讨其在光电器件和生物医学领域中的应用前景。
此外，我们还将介绍实验方法和结果，并对纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜的未来研究方向进行展望。
以上为文章“1. 引言”部分的详细内容。
2. 纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜的室温紫外激光发射：2.1 纳米结构氧化锌半导体ZnO薄膜的基本原理：纳米结构氧化锌(ZnO)是一种独特的半导体材料，具有广泛的应用前景。
ZnO薄膜具有优异的光学和电学性质，使其成为实现室温紫外激光发射的理想材料。
这是因为ZnO具有直接带隙特性，并且能够实现较高的载流子浓度。
此外，纳米结构ZnO通过量子限制效应，可以显著改变其电子结构和光学特性。
氧化锌纳米结构薄膜的微结构及光电特性调控
氧化锌纳米结构薄膜的微结构及光电特性调控氧化锌(ZnO)具有优异的光电性能,在紫外蓝光光电子器件、透明电子器件、自旋电子器件和压电及热电传感器等领域有着重要的研究价值,目前已成为学术界研究的一个焦点。
虽然对氧化锌的研究已经有了相当长的历史,但ZnO材料的一些光学电学性能及其调控机理并未完全清楚,这些问题包括p型ZnO问题、ZnO的施主受主缺陷的辨认问题、ZnO在可见光区的发光中心问题及ZnO分级结构的可控制备问题等等。
寻找这些问题的答案对于增强、扩展ZnO材料在器件上的应用以及器件功能的实用化来说至关重要。
泽辉化工主要在以下几个方面做了一些工作：(一)采用磁控溅射法制备了Mo掺杂的氧化锌(MZO)薄膜,研究了不同的掺杂量对ZnO薄膜的微结构、电学、光学及发光性能的影响,研究了退火对薄膜导电性能、发光性能的影响。
结果表明,MZO薄膜为多晶颗粒膜,掺钼影响薄膜的表面粗糙度；退火后薄膜的多晶颗粒尺寸变大数倍。
MZO’薄膜均为六方纤锌矿结构,且沿c轴择优生长。
MZO薄膜的平均晶粒尺寸及薄膜内的应力均呈现随Mo掺杂量的增大而先增大后减小的趋势,MZO：2%薄膜具有最大的平均晶粒尺寸和内应力。
退火可以使MZO薄膜的晶粒尺寸明显增大,同时使薄膜中的应力释放。
XPS结果显示Mo在ZnO薄膜中呈+6价,显示Mo6+原子在溅射过程中其自身的化合态保持不变。
MZO：2%薄膜的Zn2p3/2结合能峰中出现位于1022.0eV的子峰(对应于Zni),说明适量Mo掺杂可以促进Zni 原子的生成。
Mo掺杂对薄膜的光学透过率和光学带隙影响不大。
MZO薄膜的电阻率随Mo 掺杂量的增大呈先减小后增大的趋势,说明适量Mo掺杂可以降低MZO薄膜的电阻率。
这应该归因于少量的钼掺杂刺激了Zni缺陷或Zni-X复合缺陷的生成,使薄膜中的Zni缺陷浓度增大,从而使载流子浓度增大。
退火导致薄膜的电阻率急剧增大。
这应该是由于薄膜中Zni缺陷浓度的降低和薄膜表面的氧吸附这两方面的原因导致的。
ZnO薄膜
ZnO薄膜的结构性质及其制备邵丽琴摘要:氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带(3.37eV)II-VI族化合物半导体材料，具有较大的激子束缚能(60meV)，具有优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料，在透明导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场发射显示器材料、表面声波元件以及低压压敏电阻器等方面具有广泛的用途。
ZnO薄膜的制备方法多样，各具优缺点。
本文综述了ZnO 薄膜的制备及性质特征，并对其发展趋势及前景进行了探讨。
关键词：ZnO薄膜；制备；性质；发展前景一、引言近年来，新一代的宽带隙半导体材料ZnO吸引了人们的目光。
ZnO是II—VI族直接带隙半导体，室温禁带宽度为3.37 eV[1]。
特别是由于ZnO具有较高的激子结合能(约60 meV[2])，它比室温热离化能(26meV)大得多，理论上和实验都证实了ZnO在室温甚至更高温度下实现紫外发光和受激辐射[3,4]，因此ZnO被认为是制备短波长发光和激光二极管、探测器等光电子器件的理想候选半导体材料。
ZnO作为一种新型的光电材料，在光波导、半导体紫外激光器、发光器件，压电传感器及透明电极等方面应用广泛。
本文综述了ZnO薄膜各种不同的制备方法及发光的研究现状并指明了今后的研究方向。
二、ZnO的结构和性质1.1 结构ZnO有三种晶体结构，分别是立方NaCl，闪锌矿和六角纤锌矿构，如图1所示，在常温常压下，ZnO的热稳定相为六方纤锌矿结构[5]，具有六方对称性。
纤锌矿ZnO的晶格常数是a=3.2498 Å，C=5.2066 Å。
在C轴方向上，Zn原子与02原子的间距为0.196nm，在其他三个方向上为0.198nm。
ZnO的结构可简单地描述为由Zn原子面和O原子面沿C轴交替排列而成，其中Zn和O原子为相互四面体配位，从而Zn和0在位置上是等价的。
这种排列导致ZnO具有一个Zn极化面和一个O极化面，这种C面的极化分布使得两个面具有不同的性质，导致该结构缺乏对称中心。
微波水热法氧化锌的低温合成及发光特性研究
第３３卷第３期烟台大学学报（自然科学与工程版）Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．３２０２０年７月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｔａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊｕｌ．２０２０ 文章编号：１００４８８２０（２０２０）０３０３２００５ｄｏｉ：１０．１３９５１／ｊ．ｃｎｋｉ．３７１２１３／ｎ．１９１２０３ 收稿日期：２０１９１２０２ 基金项目：山东省高等学校科技计划项目（ＪＩ８ＫＢ１０６）． 通信作者：孙元平（ｙｐｓｕｎ＠ｙｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ），教授，博士，从事半导体材料、光电子器件研究．微波水热法氧化锌的低温合成及发光特性研究李亚男，孙元平，唐庭志（烟台大学光电信息科学技术学院，山东烟台２６４００５）摘要：采用微波水热合成的方法，在９５～１５０℃的生长温度下得到了氧化锌（ＺｎＯ）样品，扫描电镜（ＳＥＭ）的结果表明，当生长温度从９５℃变为１５０℃时，样品的结构从六方柱状结构颗粒变为小颗粒团聚成的球状结构．由Ｘ射线衍射结果可知，低温生长的样品为氧化锌，当生长温度升高后有其他杂质峰出现．由光致发光结果可知，随着生长温度的升高，可见光发光的相对强度增强，这表明样品中的缺陷增多．９５℃下生长样品的变功率的荧光光谱表明，随着入射光功率的增大，样品的带边发光峰从３ ２３３ｅＶ变化到３ ０１４ｅＶ，出现了明显的红移；可见光发光与带边发光强度的比值先增大后减小，表明可见光的发光与带边发光有明显的竞争关系．关键词：激发光功率；微波水热法；温度；氧化锌中图分类号：ＴＢ３０３ 文献标志码：Ａ ＺｎＯ是目前研究最多的一种半导体材料．在室温下，其禁带宽度可达到３ ３７ｅＶ，ＺｎＯ的带边发光位于紫外发光区，因此，在激光、ＬＥＤ和光电探测器等短波应用中具有很好的应用前景［１］．而６０ｍｅＶ的激子束缚能使得该材料在室温下的高质量发光成为可能［２］．此外，ＺｎＯ所具有的良好导热性、导电性等优点也使得其在电子材料、纳米催化剂等方面的应用得到了广泛的研究［３－４］．由于ＺｎＯ中普遍存在的各种缺陷，其可见光发光也是目前研究的一个热点［５］．对于ＺｎＯ的可见光发光特性及其发光机理已经有了大量的研究，但是人没有确定的结论，研究人员通常把这归因于氧空位（Ｖｏ）、锌空位（ＶＺｎ）、氧间隙（Ｏｉ）或锌间隙（Ｚｎｉ）等深能级跃迁［６］．目前，ＺｎＯ材料的生长方法可按照材料的维度分为薄膜材料和微纳米材料，薄膜的生长方法主要有溶胶－凝胶法、脉冲激光沉积法、水热合成法等［７］，微纳米材料的生长方法主要有均相沉淀法、水热法、气相法等［８］．本文ＺｎＯ材料的制备方法是微波水热法，与传统的水热法相比，该方法能够在较低温度下进行，具有加热均匀，温度恒定，加热迅速等优点［９］．本文利用微波辅助水热合成法合成了ＺｎＯ微结构，光荧光谱（ＰＬ）结果显示其带边发光在４００ｎｍ左右，其发光机制可能与激子的复合有关；可见光发光在５３０ｎｍ左右，与能级跃迁有关，与激子发光有关的机制使其在光电转换特性、短波长光电子领域、紫外探测能力等方面有可能得到广泛的应用［２］．１ 实 验实验是以乙酸锌（（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｚｎ·Ｈ２Ｏ）、氢氧化钾（ＫＯＨ）作为Ｚｎ和Ｏ的来源，以六次甲基四胺（Ｃ６Ｈ１２Ｎ４）、十六烷胺甲基四胺（ＣＴＡＢ）作为催化剂，去离子水（Ｈ２Ｏ）和无水乙醇（ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ）作为溶剂．实验所用药品等级均为分析纯，未经进一步的提纯．称取２ ２ｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｚｎ·Ｈ２Ｏ和１ ４１ｇ的Ｃ６Ｈ１２Ｎ４倒入２００ｍＬ的烧杯中，加入９０ｍＬ的去离子水和１０ｍＬ的无水乙醇（体积分数１０％），电磁搅 第３期李亚男，等：微波水热法氧化锌的低温合成及发光特性研究拌１０ｍｉｎ使其完全溶解，向混合溶液中依次加入０ ３６ｇＣＴＡＢ和０ ５６ｇＫＯＨ，电磁搅拌得到均匀稳定的溶液．将得到的溶液倒入聚四氟乙烯内胆的水热合成反应釜中．实验生长设备为北京祥鹄科技发展有限公司的ＸＨ－８００Ｇ型号微波水热合成仪，反应溶液分别在９５℃，１２５℃和１５０℃下反应４ｈ后自然冷却至室温，将生成的白色沉淀用去离子水冲洗一次，室温下干燥得到ＺｎＯ微结构．样品的ＸＲＤ测试是利用日本力学株式会社（Ｒｉｇａｋｕ）的ＳｍａｒｔＬａｂＩＩＩ型Ｘ射线衍射仪，ＳＥＭ是利用日本株式会社（ＪＥＯＬ）型号为ＪＳＭ－５６１０Ｖ的扫描电镜，ＰＬ测试是利用日本的ＫＩＭＭＯＮＫＯＨＡ公司的ＩＫ３３０１Ｒ－Ｇ型号的荧光光谱仪．２ 结果与讨论２ １ 样品的ＸＲＤ结果分析图１给出了３个生长温度下的ＺｎＯ微纳米结构的ＸＲＤ谱，从图中可以看出，产物的衍射峰与氧化锌标准图谱（ＪＣＰＤＳ：９９－０１１１）符合的很好，表明制得的ＺｎＯ为六方纤锌矿结构．图中９５℃的样品衍射峰尖锐且容易分辨，其中（１０１）、（１００）、（００２）衍射峰的半高宽分别为０ １４８°、０ １４１°、０ １２５°，说明制备的ＺｎＯ结晶度高，晶体质量较好．随着温度的升高，样品的衍射峰强度逐渐降低，有杂质衍射峰出现，说明温度升高，生长的样品结晶度变差．ＺｎＯ在溶液中的生长过程包括晶核的形成和晶体的生长，根据晶粒均相成核理论［１０］，晶体的成核速率与成核时的温度和反应物的浓度有关，温度升高加快了ＺｎＯ的成核速率．但是晶体的长大又是一个生长与分解的平衡过程，温度的升高同时也会使得ＺｎＯ的分解速率增大，缺陷增多，从而导致晶粒尺寸变小，晶体的结晶度变差．另外，随着生长温度的升高，样品ＸＲＤ衍射峰的位置也随之发生变化．对于（１００）晶面衍射峰，９５℃、１２５℃和１５０℃的衍射峰位置分别为３１ ６９１°、３１ ８３０°和３１ ８３９°，衍射峰位置向大角度方向移动．一般情况下，如果晶体内部存在张应力，则会使晶格常数变大，衍射峰向小的角度移动；而压应力的存在将会使衍射峰向大角度方向移动［１１］．因此，随着生长温度的升高，ＺｎＯ从成核到生成晶体的速度加快，先形成晶体内的应力还未得到释放，外部的新层就已经形成，这会对样品内部产生压应力，导致了衍射峰向大角度方向移动．!"#!$"%"&!##'&##$(&!#!(&!#$(&!!#(&!#)(&$##(&!!$(&$#!(&##*(+$#$(&,-.($#)#*#"#/#0#1#$ 2+ '图１ ＺｎＯ样品的ＸＲＤ谱Ｆｉｇ．１ ＸＲＤｓｐｅｃｔｒａｏｆＺｎＯｓａｍｐｌｅ２ ２ 样品的ＳＥＭ分析图２给出了３个生长温度下ＺｎＯ的ＳＥＭ图．由该图观察可知，９５℃样品的形状为六方柱状结构，晶体尺寸比较大且大小分布不均匀．取视野中３０个ＺｎＯ颗粒，测量其长度并取其平均值，其大小为１０μｍ．随着生长温度到１２５℃时，样品的形状不一，大小更不均匀，并伴有花状结构产生，部分晶体表面有较为明显的缺陷存在．当生长温度为１５０℃时，样品的形貌变为小颗粒团聚而成的球状结构，并有少量的棒状结构．!"#$% &'#()% &*+(%,(, -(, -(, -图２ ＺｎＯ样品的ＳＥＭ图Ｆｉｇ．２ ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＺｎＯｓａｍｐｌｅ１２３烟台大学学报（自然科学与工程版）第３３卷 ２ ３ 样品的光致发光分析２ ３ １ 温度对ＺｎＯ发光的影响 图３给出的是ＺｎＯ在８ ５ｍＷ的激发光功率下不同温度的ＰＬ曲线和归一化ＰＬ曲线，由图３（ａ）可以看出，生长温度升高，带边发光峰强度减弱而绿光发光峰增强．之后，对样品的发光光谱以带边发光峰强度为基准进行归一化处理得到图３（ｂ）．从图中可以看出，ＺｎＯ样品的带边发光峰均在４００ｎｍ附近，且随着生长温度的升高，其半高宽有所减小．可见光发光峰位于５２０ｎｍ附近，其相对强度在随着生长温度的升高而逐渐增大．由图３（ａ）观察得到，随着生长温度的升高，带边发光强度减弱，可见光发光强度增强，表明生长温度的升高使得材料中的可见光发光中心浓度增加，抑制了带边发光而增强了可见光发光．从文献中可知，绿光带的发光来自浅施主能级Ｖｏ到ＶＺｎ的受主能级跃迁［１２－１５］，而这２个能级与材料中相关的缺陷中心浓度有关．生长温度的升高会给ＺｎＯ中带来更多的缺陷，从而增强可见光发光．同时，可见光发光与带边发光之间存在明显的竞争关系．可见光发光强度的增强必然会导致带边发光强度的减弱，这与实验中观察到的结果是一致的．!"#!"#$%&'$%&()'(*!)*+,-./0123456789+,!-.,!-,/!!"01*2"#3$%&'()*"#)'#(##('#'##''#&##&'#%##%'#!"01*2%62%6图３ 样品的ＰＬ谱Ｆｉｇ．３ ＰＬｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｓａｍｐｌｅｓ２ ３ ２ 激发光功率对ＺｎＯ发光的影响 以９５℃为代表，室温下，改变激光的激发光功率，得到图４的（ａ）ＰＬ谱和（ｂ）归一化ＰＬ谱，其余２个样品呈现相同的趋势．从图４（ａ）看出，ＺｎＯ样品的ＰＬ发光分为两部分：带边发光（约４００ｎｍ）和可见光发光（约５００ｎｍ）．通常情况下，室温下４００ｎｍ附近的发光峰被认为是ＺｎＯ的带边发光［１６］，其５００ｎｍ附近的发光与ＺｎＯ材料中的缺陷有关［１７］，二者具有明显的竞争关系．为了更好地了解ＺｎＯ的带边发光与可见光发光之间的联系，图４（ｂ）给出了相对于ＺｎＯ带边发光峰强度的归一化谱线．可以看出，随着激发光功率的增加，可见光发光的相对强度先增强后减弱；当激发光功率达到２７ｍＷ时，可见光发光达到最低．!"#!"#$%&$%&'('()!)**+,#-./01234567+,-./012334,562405614-56-4056+4.561,567"48*92 /0.3/33/.3.33..3-33-.3,33,.39%5!"48*9%5图４ 样品的ＰＬ谱Ｆｉｇ．４ ＰＬｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｓａｍｐｌｅ２２３ 第３期李亚男，等：微波水热法氧化锌的低温合成及发光特性研究 另外，随着激发光功率从０ ７ｍＷ增加到２７ｍＷ，ＺｎＯ的带边发光峰从３８３ ６ｎｍ红移到了４１１ ４ｎｍ，红移了２７ ８ｎｍ，对应的能量变化约为２１８ｍｅＶ．图５给出了带边发光峰的能量与激发光功率之间的关系图，通过曲线拟合得到带边发光峰的能量ｙ与激发光功率ｘ之间的函数关系：ｙ＝３．２４７－０．０１７３ｘ＋３．２０３×１０－４ｘ２，（１）从公式（１）看出，常数项３ ２４７ｅＶ对应于ＺｎＯ样品在室温下的自由激子发光［１８］；由于一次项正比于激发光功率，因此可能与光生载流子激发的缺陷有关；二次项系数与大功率激发样品引起的温度改变有关．带边发光峰的发光强度随着光功率的增加，先增强后减弱．对于绿色发光峰，峰位在５２０ｎｍ左右，发光峰中心峰位基本没有发生移动，当光功率为２７ｍＷ时，绿色发光峰几乎消失．这可能是由于在较大的激发光功率下，产生的大量光生载流子屏蔽了由缺陷而导致的发光中心，从而降低了在缺陷中心处的复合几率，降低了绿色发光峰的发光强度．烟台大学学报（自然科学与工程版）第３３卷 表明，当激发光功率小于某一定值时，带边发光的强度随着光功率的增加而增加，当超过这一定值时，发光强度会随光功率的增加而减小；随着激发光功率的增强，ＺｎＯ带边发光峰峰位发生红移，其产生的原因可能与温度和缺陷浓度有关．对于可见光发光峰，其发光强度相对于带边发光峰发光强度在逐渐减弱，当激发光功率为２７ｍＷ时，缺陷发光峰几乎消失．缺陷发光峰的产生与晶体的本征缺陷有关，Ｏｉ和ＶＺｎ以受主的形式存在，Ｚｎｉ以施主的形式存在缺陷能级发光峰可能是由Ｚｎｉ浅施主能级至Ｏｉ和ＶＺｎ浅受主能级的跃迁．参考文献：［１］ ＣＡＵＤＵＲＯＡＬＦ，ＳＯＭＢＲＩＯＣＩＬ，ＦＲＡＮＺＥＮＰＬ，ｅｔａｌ．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｔｈｅｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｏｆＺｎＯｎａｎｏｗｉｒｅｓｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒｏｗｔｈａｎｄａｎｎｅａｌｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ［Ｃ］／／２０１５３０ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＤｅｖｉｃｅｓ（ＳＢＭｉ ｃｒｏ）．ｓａｌｖａｄｏｒ：ＩＥＥＥ，２０１５．［２］ 谭天亚，陈俊杰，江雪．纳米微晶结构氧化锌中激子发光的研究进展［Ｊ］．激光与光电子学进展，２００８，４５（９）：２５－３０．［３］ 胡幸鸣，袁国栋．ＺｎＯ基纳米电子材料研究进展［Ｊ］．材料科学与工程学报，２００５，２３（４）：６２０－６２４．［４］ 陈阳，杨晓燕，张鹏，等．贵金属负载的棒状ＺｎＯ复合光催化剂的制备及其提升的光催化性能［Ｊ］．物理化学学报，２０１７，３３（１０）：２０８２－２０９１．［５］ 王纪宏，徐长山，薛向欣，等．ＺｎＯ可见区发光机理研究进展［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１４，３４（１２）：３２０５－３２０９．［６］ ＺＨＡＮＧＸＴ，ＬＩＵＹＣ，ＺＨＡＮＧＬＧ，ｅｔａｌ．Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉ ｎｅｓｃｅｎｃｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｌｙｐｕｍｐｅｄｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌａｓｉｎｇｆｒｏｍｎａｎｏｃｒｙｓ ｔａｌｌｉｎｅＺｎＯｔｈｉｎｆｉｌｍｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅｒｍａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙＺｎＳｔｈｉｎｆｉｌｍｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００２，１９（１）：１２７－１３０．［７］ 代悦，魏旭青，孙彤，等．ＺｎＯ薄膜微观形貌对腐败希瓦氏菌生物被膜形成的影响［Ｊ］．中国食品学报，２０１９，１９（１１）：１７０－１７８．［８］ 李宗木．热蒸发法制备ＺｎＯ微／纳米材料的光催化性能研究［Ｊ］．山东化工，２０１３，４２（１１）：７－１１．［９］ 王松，李阳，李飞，等．不同形貌氧化锌的微波水热法制备及其光催化性能［Ｊ］．应用化学，２０１７，３４（２）：２２０－２２４．［１０］ 江锦春，程文娟，张阳，等．微波水热条件对氧化锌晶体的形态和粒度的影响［Ｊ］．人工晶体学报，２００５，３４（２）：２５５－２５８，２５４．［１１］ 张德恒，王卿璞，薛忠营．不同衬底上的ＺｎＯ薄膜紫外光致发光［Ｊ］．物理学报，２００３，５２（６）：１４８４－１４８７．［１２］ 宋国利，孙凯霞．纳米ＺｎＯ薄膜可见发射机制研究［Ｊ］．光子学报，２００６，３５（３）：３８９－３９３．［１３］ ＭＥＵＬＥＮＫＡＭＰＥＡ．ＳｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆＺｎＯｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＴｈｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙＢ，１９９８，１０２（４０）：７７６４－７７６９．［１４］ ＧＵＯＬ，ＹＡＮＧＳＨ，ＹＡＮＧＣＬ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈｌｙｍｏｎｏ ｄｉｓｐｅｒｓｅｐｏｌｙｍｅｒ ｃａｐｐｅｄＺｎＯｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ：ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｏｐ ｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０００，７６（２０）：２９０１－２９０３［１５］ ＬＯＯＫＤＣ，ＣＬＡＦＬＩＮＢ，ＡＬＩＶＯＶＹＩ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｆｕ ｔｕｒｅｏｆＺｎＯｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｅｒｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａＳｔａｔｕｓＳｏｌｉｄｉ（ａ），２００４，２０１（１０）：２２０３－２２１２．［１６］ 张孔辉，肖芝燕，张喜田．溶胶－凝胶法制备纳米ＺｎＯ薄膜的结构和光学性质［Ｊ］．人工晶体学报，２００５，３４（３）：４８７－４９０，４５８．［１７］ 肖宗湖，张萌，马红霞．ＺｎＯ薄膜结构缺陷与发光性能研究（二）［Ｊ］．人工晶体学报，２００７，３６（１）：１７５－１７９，２２１．［１８］ ＣＡＯＷＴ，ＤＵＷＭ．ＳｔｒｏｎｇｅｘｃｉｔｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍＺｎＯｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｆｏｒｍｅｄｂｙｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ５３２ｎｍｌａｓｅｒｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，２００７，１２４（２）：２６０－２６４．［１９］ 汤子康．纳米结构ＺｎＯ晶体薄膜室温紫外激光发射［Ｊ］．物理，２００５，３４（１）：２１－３０．［２０］ 袁艳红，侯洵，白晋涛．紫外光激发下氧化锌纳米线的发光特性研究［Ｊ］．光子学报，２００６，３５（３）：３７３－３７６．［２１］ 徐彭寿，孙玉明，施朝淑，等．ＺｎＯ及其缺陷电子结构对光谱特性的影响［Ｊ］．红外与毫米波学报，２００２，２１（ｓ１）：９１－９６．［２２］ 刘恩科，朱秉升，罗晋生．半导体物理学［Ｍ］．７版．北京：电工业大学出版社，２０１３：５７－９１，２８１－２９２．［２３］ 陈海霞，丁继军．ＺｎＯ薄膜中与Ｚｎ原子缺陷相关的发光特性研究［Ｊ］．功能材料，２０１９，５０（９）：９０８３－９０８５，９０９２．［２４］ 万齐欣，熊志华，刘国栋，等．ＺｎＯ本征缺陷的第一性原理计算［Ｊ］．南昌大学学报（理科版），２００８，３２（６）：５５７－５５９．［２５］ 李世帅，冯秀鹏，黄金昭，等．简单水热法制备棒状纳米氧化锌及其表征［Ｊ］．功能材料，２０１０，４１（Ｓ１）：１１３－１１６．（下转第３４０页）４２３烟台大学学报（自然科学与工程版）第３３卷 ＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆＴｈｒｅｅ ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＳｔｒａｔｉｆｉｅｄＢｒａｉｎＴｉｓｓｕｅａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＤＢＳＳｔｉｍｕｌａｔｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｄｅＤｅｓｃｅｎｄｉｎｇＷＡＮＧｑｉ，ＣＨＥＮＹｉ ｂａｏ，ＣＨＡＩＹｏｎｇ ｓｈｅｎｇ，ＬＩＹａｎ，ＬＩＵＸｉ ｋｕａｎ，ＬＩｌｉｎ，ＬＩＵＹｕ ｈａｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｔａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｔａｉ２６４００５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｉｄｅｏｆｔｈｅｂｒａｉｎｔｉｓｓｕｅｃａｎｎｏｔｂｅｓｅｅｎｄｕｒｉｎｇｓｕｒｇｅｒｙ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎａｄｏｐｔｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌａｙｅｒｅｄｂｒａｉｎｔｉｓｓｕｅ，ａｎｄｔｈｅｓｈｉｆｔｉｎｇｏｆｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｈａｓｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｒｉｆｔｏｆｔｈｅｓｕｂｔｈａｌａｍｉｃｎｕｃｌｅｉｉｓａｂｏｕｔｈａｌｆｏｆｔｈｅｄａｔａｏｆｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｈｉｆｔｉｎｇｄｏｗｎ，ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃａｎｌｏｗｅｒｔｈｅｔａｒｇｅｔｄｒｉｆｔ，ｂｕｔｉｔｉｓｎｏｔｏｂｖｉｏｕｓｌｙｅｆ ｆｅｃｔｉｖｅ，ｓｏｉｔｃａｎｂｅｓｅｅｎｔｈａｔｔｈｅｓｈｉｆｔｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｗｉｌｌｃａｕｓｅｔｈｅｄｏｗｎｓｈｉｆｔｏｆｔｈｅｓｕｂｔｈａｌａｍｉｃｎｕｃｌｅｉ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｆｏｒｔａｒｇｅｔｓｈｉｆｔｉｎｇｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｓｑｕｅｅｚｉｎｇａｃｔｉｏｎｏｆｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｏｎｔｈｅｌｏｗｅｒｂｒａｉｎｔｉｓｓｕｅｏｆｓｕｂｔｈａ ｌａｍｉｃｎｕｃｌｅｉ．Ｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｒａｉｎｔｉｓｓｕｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｄｕｒｉｎｇｏｒａｆｔｅｒｄｅｅｐｂｒａｉｎｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｏａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｍｅｅｔｔｈｅｃｌｉｎｉｃａｌｎｅｅｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄｂｒａｉｎｔｉｓｓｕｅｍｏｄｅｌ；ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｔａｒｇｅｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｄｅｅｐｂｒａｉｎｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｉ ｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ（责任编辑 苏晓东）（上接第３２４页）ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧｒｏｗｔｈａｎｄＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｉｎｃＯｘｉｄｅＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｂｙＭｉｃｒｏｗａｖｅＡｓｓｉｓｔｅｄＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌＭｅｔｈｏｄＬＩＹａ ｎａｎ，ＳＵＮＹｕａｎ ｐｉｎｇ，ＴＡＮＧＴｉｎｇ ｚｈｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＯｐｔｏ 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０１４ｅＶ，ｗｉｔｈａｎｏｂｖｉｏｕｓｒｅｄｓｈｉｆｔ．Ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｖｉｓｉｂｌｅｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｔｏｂａｎｄｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｎｏｂｖｉｏｕｓｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｒｅｌａ ｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｖｉｓｉｂｌｅｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅａｎｄｂａｎｄｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｐｕｍｐｉｎｇｐｏｗｅｒ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｍｅｔｈｏｄ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ＺｉｎｃＯｘｉｄｅ（责任编辑 苏晓东）０４３。
ZnO薄膜的光电性能及应用
ZnO薄膜简的介光电性质
ZnO高熔点的物理特性，具 有很好的热化学稳定（1975℃）。 ZnO薄膜可在低于600℃下获得， 有利于降低设备成本，可大大减 少高温制备条件下产生的缺陷， 提高薄膜质量。
ZnO是至今为止Ⅱ-Ⅵ族半导体 材料中最硬的一种，机械性能优 良。
ZnO薄膜简的介光电性质
极性较强的半导体材料，由于导带自由电子和价带 自由空穴之间的库仑作用，使它们束缚在一起构成激子， 在半导体材料可以自由移动的叫做自由激子。由于电子的 有效质量小于空穴的有效质量，自由激子的结构中，电子 围绕空穴旋转，与氢原子类似。
OOLOPPELBBDE，、D复等合
电致发光 光致发光
阳极 阴极
增加光吸 增加光出
ZnO薄膜简介
极性较强的半导体材料，由于导带自由电子和价带 自由空穴之间的库仑作用，使它们束缚在一起构成激子， 在半导体材料可以自由移动的叫做自由激子。由于电子的 有效质量小于空穴的有效质量，自由激子的结构中，电子 围绕空穴旋转，与氢原子类似。
ZnO薄膜在各种温度下的沉积和退火
光电性质的影响因素
结论：
1.退火处理可以改善ZnO膜的形貌，从AFM和SEM图像显而易 见。氧化锌薄膜在可见波长范围内有高达85％的光透射。 2. XRD结果表明该膜是（002），（101）和（102）方向的优先 取向的多晶，但是退火温度增加到400℃以上，（002）方向更显 着。因为退火处理的ZnO薄膜显示出良好的结构和光学性能 是因为其具有更光滑的表面。 3.基于结果，可以得出结论ZnO薄膜适用于太阳能电池应用，在 退火时应该将带隙调节到合适的值。 4 .除180℃沉积温度下制备的样品以外，其他温度下制备的ZnO 薄膜在可见光区域的透过率均接近甚至高于80％ 。
氧化锌薄膜的光电性能研究
海峡科学
HAI XI A KE XUE
氧化锌薄膜的光电性能研究
பைடு நூலகம்
福建农林大学机电工程学院 吕灵燕
[摘要] 采用溶胶—凝胶法在 I TO 导电玻璃衬底上制备氧化锌（ZnO）薄膜，研究其结构、光学透过率和电学性能。AFM测试 结果表明，ZnO薄膜晶粒尺寸随退火温度的提高而增大。薄膜的光学透过率曲线显示，在大于 400nm的波段，ZnO的透过率比 较高，而其禁带宽度约为 3. 25ev。在相同的电压下，ZnO薄膜产生的电流大小随着退火温度的提高，先增强后减弱，在 550℃ 时达到最大。 [关键词] 退火温度 ZnO薄膜 光学透过率
配制好的 ZnO 前驱体溶液旋转涂覆于 ITO 玻璃基片上， 匀胶速度约 2500 rpm，时间为 30s。每涂一层后都将湿膜放 在加热台上以 300℃的温度热烤 5min，以除去有机物。重复 甩膜—烤胶的步骤 5 次，达到所需的薄膜厚度，最后将所得 的 ZnO 薄膜放入扩散炉中进行退火处理。ZnO 薄膜的退火温 度分别为 500℃，550℃，600℃和 650℃，并保温 1h，然后 随炉自然降温。
ZnO 材料的宽带隙和高激子结合能，使其在光电领域有 独特的优势。首先，宽带隙使 ZnO 在可见光波段(400~800nm) 有高达 80%的光学透过率，掺杂 Al3+的 ZnO 薄膜，即 ZnO： Al（ZAO），是一种具有优异光学特性和电学特性的透明导 电薄膜 [2]。ZnO 材料高激子结合能使其在室温下的受激辐射 能在较低阈值出现，是一种理想的紫外光发射材料[3]，其在 应用方面的突出热点是制备激光器(LDs)和 ZnO 基发光二极 管(LEDs) 等光电 器件 [4] 。其 次，ZnO 高熔点 的物 理特 性 (1975℃)，使其具有很好的热化学稳定性。ZnO 薄膜可在低 于 600℃下获得，有利于降低设备成本，抑制固体外扩散， 可大大减少高温制备条件下产生的缺陷，提高薄膜质量。再 次，ZnO 器件制备工艺可与硅平面集成电路工艺相容。第四， ZnO 是至今为止Ⅱ-Ⅵ族半导体材料中最硬的一种，可以避免 像其它Ⅱ-Ⅵ族材料在光发射器件应用中出现的增殖现象。因 此，研究 ZnO 材料的光电性能对于探索新型的光电器件将会 是很有意义的工作[5-9]。本实验在 ITO 导电玻璃衬底上制备了 不同温度退火的 ZnO 薄膜，并研究其结构和光学透过率以及 电学方面的特性。
富锌型氧化锌薄膜的蓝区及近紫外区发光特性
富锌型氧化锌薄膜的蓝区及近紫外区发光特性的报告，600字
富锌型氧化锌薄膜具有好的发光性能，并且在紫外可见区有宽带发射特性。
这种特性使得富锌型氧化锌薄膜在照明领域的应用中具有重要意义。
在400nm-500nm的蓝色及近紫外区间内，富锌型氧化锌薄膜
发出宽带、强度较高的发射。
这种发射属于紫外可见区的波长，其发射的特性主要取决于氧化锌沉积层的厚度、处理及表面形貌。
首先，较厚的氧化锌膜，会增加其发射的强度，而厚膜越厚，发射强度也会越强。
其次，氧化锌处理方式会影响发射特性，一般来说，氧化后发射强度比氧化前强度高，但氧化时间久了会使发射强度下降，另外氧化前氧化锌薄膜有较差的表面形貌也会影响发射强度。
此外，因为氧化锌薄膜是一种自发发射材料，其发射波长会受到多种因素的影响，比如固体中的含有量、半导体结构、掺杂元素等都会影响发射波长。
总的来说，富锌型氧化锌薄膜厚度、处理及表面形貌都会影响其发射特性。
同时，发射强度越高发射波长也会越宽，因此可以根据应用需求去调节这些参数，以便达到所需的发射性能。
氧化锌光致发光光谱
氧化锌光致发光光谱
氧化锌是一种常见的半导体材料，在光电领域中有着广泛的应用。
它的光致发光现象也备受关注。
光致发光是指在光的照射下，材料会发出特定波长的光，这种现象在氧化锌中表现得尤为明显。
氧化锌光致发光光谱可以用来研究氧化锌的能带结构和缺陷状态。
实验结果表明，氧化锌的光致发光峰位主要分布在紫外光区域和蓝光区域，这是由于氧化锌的能带结构和缺陷状态导致的。
此外，不同的氧化锌样品在光致发光光谱上也有明显的差异，这与它们的物理和化学性质有关。
因此，氧化锌光致发光光谱可以为氧化锌相关材料的研究提供重要的参考。
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场发射器 氧化锌
场发射器氧化锌
场发射器（Field Emitter）是一种特殊的电子发射器件，它能在强电场的作用下，从材料表面发射出大量的电子。
氧化锌（Zinc Oxide，ZnO）是一种具有宽禁带隙（约3.37 eV）的半导体材料，因其优异的物理和化学性质，如高透明度、高导电性、高稳定性等，被广泛应用于各种电子器件中。
将氧化锌应用于场发射器，可以利用其优异的导电性和稳定性来提高场发射器的性能。
例如，氧化锌纳米结构（如纳米线、纳米棒等）可以作为场发射器的阴极材料，由于其具有较高的比表面积和尖锐的末端结构，可以在较低的电压下实现较高的电子发射电流密度。
此外，氧化锌还可以与其他材料（如碳纳米管、金属等）复合，以进一步提高场发射器的性能。
这种复合材料可以综合不同材料的优点，如高导电性、高稳定性、高发射电流密度等，从而实现更好的电子发射效果。
总的来说，氧化锌在场发射器中的应用，有助于提高电子发射性能，降低能耗，促进电子器件的小型化和高效化。
然而，目前对于氧化锌在场发射器中的研究仍处于初级阶段，还需要进一步深入探索其潜在的应用价值和机制。
带边调制方法研究氧化锌的绿光发射机制
等【３１、美国、Ｍｇｈｔ州立大学的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ等【４】都报道了一种在ｚｎＯ基片上制造的激光器，
利用溶胶．凝胶（ｓ０１．ｇｅｌ）法制备出了粒径均匀的Ｚｎ０纳米粒子，通过改变其在室 温下的生长时间来改变其粒径大小，利用量子限制效应对其带边进行调制，研究了绿光 发射机制。吸收光谱和发射谱的结果都表明，纳米粒子随着生长时间的增加粒径逐渐增 大，带宽逐渐减小，量子限域效应弱化。通过比较绿光发射峰和紫外发射峰的峰位随粒 径的变化规律，得知绿光发射来源于深能级上的电子向价带的跃迁。
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１．１ ＺｎＯ的基本性质
１．１．１晶体结构 ＺｎＯ的晶体结构包括三种，分别是纤锌矿（ＭＪｒｔｚｉｔｅ）、闪锌矿（ｚｉｎｃ ｂｌｅｎｄｅ）和岩盐矿 （ｒｏｃｋｓａｌｔ），如图卜ｌ所示。
Ｒｏｃｌ（ｓａｌｔ（Ｂ １）
Ｚｉｎｃ ｂｊｅｎｄｅ（Ｂ３）
Ｗ山ｔ２ｉｌｅ（Ｂ４）
◆ （ａ） 图１—１ ＺｎＯ的三种晶体结构
同样利用溶胶．凝胶（ｓ０１．ｇｅｌ）法制备出了Ｍｇ掺杂的ｚｎＯ纳米粒子，通过透射电镜、 Ⅺ①、吸收光谱和发射光谱对其结构和光学性质进行了表征。Ｍｇ的掺入使得ｚｎ０的导 带底移向高能方向，而价带顶的位置则没有变化，带隙变宽。发射光谱与吸收光谱的结 果也表明，Ｍｇ的掺入使得紫外发光峰向高能端方向移动。绿光发射峰的峰位没有随着 Ｍｇ浓度的增加而发生明显移动。ＺｎＯ的导带底由Ｚｎ４ｓ态决定，价带底由Ｏ ２ｐ态决定， Ｍｇ的掺入替代了Ｚｎ的格位，对导带底影响较大，而深能级和价带顶的影响较小，因此， 绿光发射峰的峰位不随Ｍｇ掺杂而移动也说明绿光发射可归因于深能级的电子向价带的 跃迁。
氧化锌薄膜的紫外光致发光的低能带尾发射
氧化锌薄膜的紫外光致发光的低能带尾发射
张孔辉
【期刊名称】《哈尔滨师范大学自然科学学报》
【年(卷),期】2004(020)005
【摘要】利用直流射频磁控溅射制备了氧化锌薄膜,测量了不同温度下的氧化锌薄膜的光致发光.氧化锌薄膜的室温紫外发射谱是由两个发射峰构成,峰的中心位置分别是在3.31和3.22 Ev,它们分别为自由激子发射和自由激子的一阶声子伴线(1-LO).而在82 K下,紫外发射谱是由光子能量分别在3.371 Ev,3.358 Ev,3.316 Ev,3.235 Ev和3.166 Ev峰组成.它们分别是自由激子,束缚激子和自由激子的一阶(1-LO)、二阶(2-LO)和三阶(3-LO)的声子伴线.根据变温光谱结果,我们提出室温下的紫外发射的低能带尾是来自自由激子的一阶声子(1-LO)伴线.
【总页数】3页(P40-42)
【作者】张孔辉
【作者单位】哈尔滨师范大学
【正文语种】中文
【中图分类】N941
【相关文献】
1.氧气后处理对氧化锌薄膜紫外发射性质的影响 [J], 林碧霞;傅竹西;廖桂红
2.低维金属固体化合物的能带结构及化学键研究(Ⅱ)键向量近似法及低维固体π能带的简化计算 [J], 李俊篯;黄达平
3.纳米氧化锌薄膜的光致发光特性研究 [J], 王玉玺;张伟力
4.氧化锌薄膜的室温受激紫外激光发射 [J], 丘志仁;俞平
5.热氧化制备纳米氧化锌薄膜的光致发光和室温紫外激光发射 [J], 张喜田;刘益春;支壮志;张吉英;申德振;许武;钟国柱;范希武
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第20卷哈尔滨师范大学自然科学学报V ol.20,N o.52004第5期NAT URA L SCIE NCES JOURNA L OF H AR BI N NORM A L UNI VERSITY氧化锌薄膜的紫外光致发光的低能带尾发射张孔辉(哈尔滨师范大学)【摘要】 利用直流射频磁控溅射制备了氧化锌薄膜,测量了不同温度下的氧化锌薄膜的光致发光.氧化锌薄膜的室温紫外发射谱是由两个发射峰构成,峰的中心位置分别是在3.31和3.22eV ,它们分别为自由激子发射和自由激子的一阶声子伴线(1-LO ).而在82K 下,紫外发射谱是由光子能量分别在3.371eV ,3.358eV ,3.316eV ,3.235eV 和3.166eV 峰组成.它们分别是自由激子,束缚激子和自由激子的一阶(1-LO )、二阶(2-LO )和三阶(3-LO )的声子伴线.根据变温光谱结果,我们提出室温下的紫外发射的低能带尾是来自自由激子的一阶声子(1-LO )伴线.关键词:低能带尾发射;自由激子;光致发光;声子伴线;氧化锌薄膜收稿日期:2004-05-100 引言氧化锌具有3.37eV 的直接带隙,因此,它有希望用于制作紫外光发射器件和紫外激光二极管.除了高的化学和热稳定性外,氧化锌具有大的激子束缚能(60meV )[1],保证室温下更有效的激子发射.近来,已经报道了室温下氧化锌薄膜由激子-激子的非弹性散射引起的受激发射[26],因此,有希望实现低阈值半导体激光器.也就是由六角纳米晶自然形成谐振腔和激子性质的综合效应引起的.原则上,如果是激子相关的复合而不是电子-空穴等离子体的复合的话,那么就能实现低泵蒲阈值.后者的一个代表性例子是lnxG al -xN 基激光二极管.这一结果表明激子相关的复合过程能够实现光电子激光器在室温下工作.此外,根据成功制备的高质量材料,激子参数的精确的确定是非常重要的,因为激子对材料的质量非常敏感.然而,氧化锌薄膜的激子发光与温度的关系尽管对器件应用是重要的,但是还没有被充分理解.另外,氧化锌材料能够生长在Si 衬底上,结合先进的Si 电子学,Si 衬底上的ZnO 一定会表现出很多有意义的性质.此外,ZnO 薄膜的紫外激子发光常常伴有低能带尾,Y.Chen [7]认为低能带尾是来自带结构变形导致晶格变形.在本文,为了研究ZnO 薄膜的低能带尾起因,测量了ZnO 薄膜的变温光致发光谱.ZnO 薄膜是通过直流磁控溅射被淀积在Si 衬底上.根据发光结果,认为低能带尾是ZnO 薄膜的自由激子的一阶声子伴线.1 实验Z nO 薄膜是通过直流磁控溅射被淀积在S i (100)衬底上.溅射室真空度为5×10-4Pa ,金属锌盘(纯度,99.999%)作为靶,在沉积前,靶被处理30min ,以去掉靶上的杂质.O 2和Ar 气分别通过各自的流量计控制被引进溅射室.Ar 和O 2的流速分别是120sccm 和30sccm.整个工作压力保持在1.0Pa.靶—衬底间距离保持在70mm.衬底温度控制在200℃.直流功率保持在100W.膜厚度通过表面分析仪测定在200300nm 范围,生长速率是5nm ・min -1.薄膜结构通过XRD 分析表明ZnO 薄膜具有六角纤锌矿结构.光致发光通过法国生产的微区Ram an 光谱仪测量,具有325nm 波长的He -Cd 激光器作为激发光源.2 结果和讨论图1是室温下ZnO 薄膜的光致发光谱,是由图1 室温下的ZnO 薄膜的光致发光谱3个发射峰组成.位于大约2.4eV 处的发射峰是与ZnO 深能级缺陷相关的发射.为了研究在3.31eV 和3.22eV 处的发射峰性质,我们测量了它的变温光谱,如图2所示.图3是82K下紫外激子 图2 温度从82K 到室温的ZnO 薄膜的变温光致发光谱发射强度的对数.这个谱是由5个发射峰组成.在3.371eV 和3.358eV 处的发射峰可能分别是来自自由激子发射和束缚激子发射,标记为E ex 和I 9[8].这是因为激子束缚到中性受主的束缚能被估计是13meV.这个值是与报道的一致[9].然而,自由激子发射的证据将从下面对实验数据的拟合获得.在3.371eV处的自由激子的半高宽度图3 82K 下的紫外激子发射强度的对数光谱图4 利用双洛伦兹型对变温光谱拟合的紫外发射峰能量随温度变化(FWH M )是21meV.我们试着用双洛伦兹型对紫外激子发射曲线进行拟合,激子发射的峰能量随着温度变化,如图4所示.实线是做为眼睛的向导.随温度升高,峰位发生蓝移.这是由电子—光子相互作用引起禁带窄化导致.观察到的3.316eV 、3.235eV 和3.166eV 发射峰,根据峰位能量间距为72meV 知道,它们分别是自由激子的一阶(1-LO )、二阶(2-LO )和三阶(3-LO )声子伴线.图4表明二阶(2-LO )和三阶(3-LO )声子伴线分别在245K,198K 消失,而一阶声子(1-LO )伴线在室温下仍然明显可见,需要特别指出的是这个发射峰处在自由激子发射峰的低能侧,成为带尾,与制备薄膜的方法和条件相关.因此,3.22eV 发射峰是自由激子的一阶声子(1-LO )伴线.束缚激子和自由激子发射与温度关系是极其不同的.图2表明束缚激子发射的强度随温度从82151K 迅速淬灭,而自由激子发射在151K 时变成尖锐,且随温度升高而逐渐淬灭.强度随温度升高以指数形式降低可以用来评估活化能.光致发光强度与温度关系可以表示成为下列方程[6]:14第5期 氧化锌薄膜的紫外光致发光的低能带尾发射I (T )=I 01+A Exp -E k B TE 是表示热淬灭过程的活化能,k B 是波尔滋蔓常数,I 0是0K 下的发射强度,T 是热力学温度,A是常数.图5的固体线是对实验数据的理论拟合,我们获得的E =60meV.这个值是和体材料ZnO 晶体的59eV 激子束缚能一致[1].这个结果证明了图5 利用发光强度随温度变化方程: I (T )=I 01+A Exp -Ek B T 对实验数据拟合主要的发射峰是来自自由激子的辐射复合.3 结论我们研究了温度从82K 升高到室温时ZnO 薄膜的变温光谱,结果表明激子发射的低能带尾是自由激子的声子伴线引起的.参 考 文 献1 K.H ümmer ,Phys.S tatus S olidi.1973,56,2492 P.Y u ,Z.K.T ang ,G.K.L.W ong ,M.K awasaki ,A.Ohtom o ,H.K oinuma ,Y.Segawa ,S olid Sate C ommun ,1997,103,4593 D.M.Bagnall ,Y. F.Chen ,Z.Zhu ,T.Y ao ,S.K oyama ,M.Y.Shen ,T.G oto ,Appl.Phys.Lett.1997,70,22304 H.Cao ,Y.G.Zhao ,H. C.Ong ,S.T.H o ,J.Y.Dai ,J.Y.Wu ,R.P.H.Chang ,Appl.Phys.Lett.1998,73,36565 Zhang X itian ,Liu Y ichun ,et al.,Chin.Phys.Lett.,2002,19,1276 X.T.Zhang ,Y.C ,Liu ,et al.,J.Appl.Phys.,2002,92,32937 Y.Chen ,N.T.Tuan ,Y.Segawa ,H.J.K o ,S.K.H ong and T.Y ao ,Appl.Phys.Lett.2001,78,14698 X.T.Zhang ,Y. C.Liu ,Z.Z.Zhi ,et al.,J.Lumin.,2002,99,1499 J.G utowski ,N.Presser ,I.Broser ,Phys.Rev.1988,B38,9746LOW ENERG Y TAI L EMISSION OF U LTRAVIOLET PH OTOL UMINESCENCE FR OM Z nO THIN FI LMSDEPOSITE D ON Si SUBSTRATESZhang K onghui(Harbin N ormal University )ABSTRACTIn this paper ,photoluminescence of ZnO thin films ,which were deposited by reactive r.f.magnetron sputter 2ing ,was investigated at various tem peratures.R oom -tem perature ultraviolet emission spectrum of ZnO thin films consists of tw o peaks at 3.31eV and 3.22eV ,which are likely assigned to the free exciton emission and optical phonon (1-LO )replica of the free exciton ,respectively ,while the ultraviolet emission spectrum at 82K consists of five peaks at 3.371eV ,3.358eV ,3.316eV ,3.235eV and 3.166eV ,which are assigned to the free exciton ,respectively.We think that the low energy tail emission results from the 1-LO phonon replica of the free exciton in terms of the photoluminescence spectra measured at various tem peratures.K eyw ords :Low energy tail emission ;Free exciton ;Photoluminescence ;Phonon replica ;ZnO thin films(责任编辑:李佳云)24哈尔滨师范大学自然科学学报 2004年。