ZnO薄膜制备及表征

研究内容 常规掺杂量，退火温度，低掺杂量，不同掺杂剂等 掺杂量，退火温度，旋涂层数等
Ag掺杂
掺杂量，旋涂层数等
基础 8at% Cu 3at% Li 7at% Ag
共掺杂 Li:Cu Cu:Li
摩尔比 1:20， 1:10， 1:5， 1:2， 1:1
制备条件 3000r/min，30s； 550℃大气退火2h.
2 Theta
Wavelength (nm)
Voltage (V)
XRD图谱
透光率图谱
I-V曲线
Cu掺杂量为0.001at%时，与未掺杂ZnO薄膜相比，导电性提高了40倍， 透光率85%以上。
Li-ZnO薄膜形、结构分析
3at%
6at%
9at%
SiO2
12at%
100 002 101
102
21at% 18at%
晶粒尺寸
Cu掺杂量为8at%时，薄膜结晶性好， 结构致密，ZnO晶粒尺寸最大约63nm， CuO晶粒最小约25nm。 Cu-ZnO薄膜照片
Cu掺杂ZnO薄膜光电特性
20
100
B
15 10
Transmittance (%)
80
Current (uA)
60 40 20 0 400 500 600 700
450C 500C 550C 600C 650C
40
650C 600C 550C 500C 450C
20
0 400 500 600 700 800
6
Voltage (V)
Wavelength (nm)
I-V曲线
透光率光谱
Cu掺ZnO薄膜为多晶结构，单个纳米颗粒为单晶结构
低掺杂浓度Cu-ZnO薄膜
Current (mA)
-3.10
Voltage (V)
-6.5
I-V曲线
旋涂层数
Voltage (V)
薄膜厚度
600 500
Concentration of Zn 0.8m0l/L Linear Fit of Film Thickness
2+
Thickness (nm)
400 300 200 100 0
1.随Ag元素引入，在吸 收光谱404nm处出现了 Ag颗粒共振引起的新吸 收峰； 2.可见光范围内，透光率 80%以上； 3.当Ag掺杂量为7at%时， 薄膜导电最好，与未掺 杂ZnO薄膜相比提高了 200倍；
400
500
600
700
800
400
500
600
700
800
Wavelength (nm)
550℃
55 50 45 40 35 30
600℃
Intensity (a.u.)
650℃ 600℃ 550℃ 500℃ 450℃
650℃
20 25 30 35 40 45 50 55 60
Grain Size (nm)
450
500
550
600
650
XRD 图谱
2Theta
Annealing Temperature (C)
Intensity
15at% 12at% 9at% 6at%
15at%
18at%
20 25 30 35
3at%
Pure ZnO
40
45
50
55
SiO2
110
60
2Theta
21at%
随Li元素引入，薄膜结晶性变好， 随掺杂量增加，薄膜表面质量变 差，出现枝晶生长现象。
XRD图谱
Li-ZnO薄膜光电特性
退火温度对Cu-ZnO薄膜形貌影响
450℃
500℃
100 002 101
550℃
60
102
110
600℃
650C 600C 550C 500C
Grain Size (nm)
50 40 30 20 10
CuO ZnO
Intensity
CuO
650℃
450C
SiO2
20
25
30
35
40
45
50
400
500
600
700
800
0.6
0.7
0.8
0.9
Wavelength (nm)
Concentration of Zn
透光率图谱
禁带宽度
Cu掺杂ZnO薄膜形貌、结构分析
2at%
4at%
5at%
70
100 Si 002 101 CuO (200)
6at%
60
102 SiO2 110
Grain Size (nm)
4
5
6
7
8
Distance (m)
XRD图谱
未掺杂ZnO薄膜
0.5 0.4
Current (mA)
0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3 -6 -4 -2 0 2
1.0mol/L 0.9mol/L 0.8mol/L 0.7mol/L 0.6mol/L
4
6
I-V特性测试原理
3.35
100
Voltage (V)
I-V曲线
为什么选取Cu、Li、Ag元素掺杂？
20 16 12 8 4 0
CNKI SCI
Reference counts
Li
Cu
Ag
Cu-Li
Ag-Li
溶胶-凝胶法制备相关掺杂ZnO薄膜参考文献数量
Doping elements
本文主要研究内容
制备未掺杂ZnO薄膜，确定适宜的Zn2+浓度
单掺杂 Cu掺杂 Li掺杂
Intensity (Abs)
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0
1% Cu 0.1% Cu 0.01% Cu 0.001% Cu Pure ZnO
1at% 0.1at% 0.01at% 0.001at% Pure ZnO
-6
-4
-2
0
2
4
6
20
30
40
50
60
400
500
600
700
800
40
undoped ZnO
0
1%
3%
5%
7%
9%
50
55
60
Ag doping concentration (at%)
XRD图谱
2 Theta
晶粒尺寸
随Ag掺杂量增加，薄膜致密性增强，薄膜中有Ag单质生成，但Ag掺杂量为 7at%时，薄膜中晶粒尺寸最大约52nm，Ag单质晶粒最小约30.6nm。
Grain Size of Ag (nm)
0.001at%
100 002 101 002 SiO2 110 CuO
0.01at%
100
0.1at%
1.0 0.5
1.0at%
Transmittance (%)
80 60 40 20 0
1at% Cu 0.1at% Cu 0.01at% Cu 0.001at% Cu Pure ZnO
Current (mA)
0.7mol/L
0.8mol/L
100 002 101 102
1.0mol/L
Intensity
0.9mol/L 0.8mol/L 0.7mol/L 0.6mol/L
0.9mol/L
1.0mol/L
20
30
40
50
SiO2 110
60
2 Theta
掺杂量为0.8mol/L时，薄膜成膜质量好，结晶性好。
Ag-ZnO薄膜形貌、结构分析
1at%
3at%
100 002 101
5at%
56
7at%
200
A
Grain Size of ZnO (nm)
52 48
102
160
Intensity (a.u.)
9at% 7at% 5at% 3at% 1at%
Ag
120 44 40 36 32 80
9at%
20 25 30 35 40 45
110
Ag-ZnO薄膜光电特性分析
2.0
(A)
Absorbance (a.u.)
Transmittance (%)
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 300
404nm
9% Ag 7% Ag 5% Ag 3% Ag 1% Ag pure ZnO
100 80 60 40 20 0
(B)
9% Ag 7% Ag 5% Ag 3% Ag 1% Ag ZnO
膜厚
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Number of spin
镶样
1L
2L
250
Intensity (a.u.)
4L
6L
8L
200 150 100 50 0 0 1 2 3
10L
O Zn Ag Si
薄膜厚度随旋涂层数线性增加；薄膜与基片附着 力较差，镶样后出现薄膜脱落现象；经高温退火 后，薄膜与基片间存在元素扩散现象。
55
60
450
500
550
600
650
2Theta XRD图谱
Temperature ( 晶粒尺寸C)
550℃退火后，薄膜结晶性好，结构致密 随退火温度升高，薄膜中晶粒变大
退火温度对Cu-ZnO薄膜性能影响
100
30 20
Transimittance (%)
80
Current (uA)
60
10 0 -10 -20 -6 -4 -2 0 2 4
2
10L 8L 6L 4L 2L 1L
450
500
550
600
650
Annealing temperature (C)
Voltage (V)
Current (mA)
1
0
-1
纳米颗粒及衍射花样
-6 -4 -2 0 2 4 6
-2
旋涂层数
Voltage (V)
经550℃退火后，Li-ZnO薄膜导电性最好，与未掺杂ZnO薄 膜相比，提高了100倍，可见光范围内透光率高达90%。
I-V曲线
Eg (eV)
透光率图谱
3.18 3.16 3.14 3.12 3.10
Current (mA)
3.20
0 -1 -2 -3
650℃ 600℃ 550℃ 500℃ 450℃
750 800
禁带宽度
650℃ 600℃ 550℃ 500℃ 450℃
-6 -4 -2 0 2 4 6
Wavelength (nm)
Wavelength (nm)
Voltage (V)
Cu-ZnO薄膜透光率
Cu-ZnO薄膜I-V曲线
(a) 2at%, (b) 4at%, (c) 5at%, (d) 6at%, (e) 8at%, (f) 10at%
研究光学特性时，Cu掺杂量应小于4at%；
当Cu掺杂量为8at%时，薄膜导电性较好。
Ag:Li
Li:Ag
单掺杂溶胶的配置
Cu掺杂锌溶胶
Li掺杂锌溶胶
Li掺杂锌溶胶的配置及成膜工艺 Ag掺杂锌溶胶
共掺杂溶胶的配置
Li-Cu共掺杂锌溶胶
Li-Cu共掺杂锌溶胶
Ag-Li共掺杂锌溶胶
Cu-Li共掺杂锌溶胶的配置及成膜工艺 Li-Ag共掺杂锌溶胶
未掺杂ZnO薄膜形貌、结构分析
0.6mol/L
50 40 30 20 10
ZnO CuO
10at%
Intensity
8at% 6at% 5at% 4at% 2at% Pure ZnO
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0
2%
4%
5%
6%
8%
10%
8at%
10at%
2Theta XRD图谱
Cu doping concentration (at%)
晶粒尺寸
随退火温度升高，薄膜结晶性变好，晶粒尺寸增加； 当退火温度为550℃时，照片中图像清晰，颗粒致密。
退火温度对Li-ZnO薄膜的影响
100 90
B
3.24 3.22
2 1
Transmittance (%)
80 70 60 50 40 30 20 10 0 350 400 450 500 550 600 650 700
0
-1
-2
700ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
800
-6
-4
-2
0
2
4
6
Wavelength(nm)
Voltage (V)
Li-ZnO薄膜透光率较高均保持在85%以上， 当Li掺杂量为3at%时，薄膜导电性最好，与 未掺杂ZnO薄膜相比提高了20倍。
退火温度对Li-ZnO薄膜的影响
450℃
500℃
100 002 SiO2 101 102 SiO2 110
100
B
2
Transmittance(%)
95 90 85 80 75 70 65 60 300 400 500 600
21at% 18at% 15at% 12at% 9at% 6at% 3at% undoped ZnO
Current (mA)
1
21at% 18at% 15at% 12at% 9at% 6at% 3at% undoped ZnO
吸收光谱
透射比光谱
-2.95
Wavelength (nm)
3 2
Current (mA)
1
-3.00
0 -1 -2 -3 -6 -4 -2 0 2 4 6
9% Ag 7% Ag 5% Ag 3% Ag 1% Ag ZnO
-3.05
1L 2L 4L 6L 8L 10L
-6.4 -6.3 -6.2
4.薄膜导电性随薄膜厚度 增加而增强，当旋涂10 层时，薄膜导电性相对 未掺杂ZnO薄膜提高了 250倍。
5 0
f e d c b a
10 at% 8 at% 6 at% 5 at% 4 at% 2 at% Pure ZnO
Current (uA)
-5 -10 -15 -20 -6 -4 -2 0
400
Pure ZnO
200 0
-200 -6 -4 -2 0 2 4 6
Voltage (V)
800
2
4
6
3.30
80 60 40 20 0
0.6mol/L 0.7mol/L 0.8mol/L 0.9mol/L 1mol/L
Eg (eV)
3.25 3.20 3.15 3.10
Zn2+浓度为 0.8mol/L时， 未掺杂ZnO 薄膜具有 较好的结构、 形貌和光电 特性，其中 透光率95%以上。
1.0
2+
Transmisttace (%)