透明导电薄膜ZnO的制备和性能测试

４．实施阶段由学生自己动手完成样品制备
和工艺实验，参数测试，以及仪器设备调 整，简单维修． ５．实验后分析，综合，总结，提倡组内和 组间的讨论，争论和对比。 ６．写出结题报告，要求达到一般的准毕业 论文的水平．
实验的具体时间安排
• 本试验分四周完成，每周有一个下午时间（下午两点 开始）； • 第一周听老师介绍试验的相关内容，做相关方面的调 研； • 第二三周是具体的实验操作，在此过程中要完成调研 报告（做成powerpoint形式）； • 第四周交实验报告和调研报告，并在519教室以 powerpoint 形势作调研报告。 注：powerpoint可以以组为单位做，一组最多为四个人。
除此之外，我们还可以做其它的调研, 比如： • 纳米薄膜；组成薄膜的纳米材料可以是金属的.半导体. 绝缘体.有机高分子等，也可以使它们的组合。如：纳 米氧化锌（nano-crystalline zinc oxide）。可用于纳米 薄膜涂层，纳米润滑，还可以提高磁盘的存储密度。 “纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板玻 璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下 可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体，杀 灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的 价格比预计为1.5：1。

例如：掺了铝的氧化锌薄膜就是一种透明 的导电薄膜，它在可见光区的透过率可超 过 90% ，而电阻率则低达 0.0005 欧姆 · 厘米。 它的光学带隙可以由铝的掺杂比例进行控 制，可作为一种重要的光电子信息材料。
靶材制备工艺的调研
关于这方面的问题，咱们的讲义上已经说 得很清楚了。 • 靶材的组成、结构、性能、制备工艺与 薄膜的性能和成膜质量有密切的关系。 • 一般来说，为了提高溅射效率和确保成 膜的质量对靶材在纯度、杂质含量、密 实度、晶粒尺寸及尺寸分布、结晶取向 等都有一定的要求。
ZnO薄膜性质及应用方面的调研
ZnO是一种具有纤锌矿晶体结构、室温 宽禁带的多功能半导体材料 • 它是直接带隙的宽禁带（Eg=3.3eＶ)半导 体材料，属于六角晶系、6mm点群 。与 ZnSe,ZnS和GaN相比，ZnO是一种合适的 用于室温或更高温度下的紫外光发射材 料。

几种宽禁带的半导体材料的基本特性比较如下： 材料 晶体 结构 ZnO GaN Eg (ev) 六角 3.2 六角 3.4 E a c T Tg (mev) (埃） (埃） (度） (度） 60 3.25 5.20 1970 ~600 25 3.19 5.19 1700 ~1100 22 40 5.67 5.41 --1520 ~400 1850 ~400
JGC-40
基片座：φ75×3 磁控靶：φ75×1（一个直流 源，一个频源） 样品手动换位 样品自转可调速：0-30rpm 样品温度：400±3°（可冷 水） 适合金属膜、非金属膜、化 合物的溅镀工艺
JGC-40磁控溅射镀膜机
薄膜的结构和性能测试的调研
主要用到的仪器有： • X射线衍射仪（X-Rey Diffration简称 XRD）,它主要用于晶体的取向、相对结 晶程度、测量薄膜的密度、厚度和表面 及界面粗糙度等。 • 电子显微镜，有扫描电子显微镜 （SEM）、透射电子显微镜，它们能做 样品表面形貌、微结构方面的分析。
最后评估
• 实验报告，每人一份，可以讲述自己的想法， 不论成熟与否，占50%； • 调研报告，不局限于你做的实验，只要与实验 相关就行，可以二到三人合做一份； • 作报告，如果是2-3人合做的，要派以代表来讲； • 后两项和占50%。
怎样去调研
• 如何进行科学调研； • 关于调研的课题方向； • 你可以利用的资源。
ZnSe 闪锌 2.7 矿 ZnS 闪锌 3.6 矿
其中:Eg为室温下的禁带宽度，E为激子束缚能，a和c是晶格常数， T为熔点，Tg为生长温度。
• 氧化锌薄膜的用途：
ZnO薄膜有较强的压电和压光效应，有 广阔的应用前景，尤其在光电子学等交叉 学科领域中，如压电转换器，显示和光伏 器件，太阳能电池，气敏传感器，光波导 等。此外ZnO薄膜可作为中间层以改变其 它薄膜材料的晶格结构和电学性质，如作 为GaN的衬底就可明显改善GaN的结构和 电学性质。
你可以利用的资源。
• 图书馆资源，图书馆主页中电子资源里 边的专业期刊数据库。 我们先到电子资源导航里边选择我 们要用到的数据库包括物理专业数据库、 材料科学类数据库。里边有包括好几个 数据库。 比较出名的有：
1. IEEE/IEE Electronic Library (IEL) 数据库提供 1988年以来，美国电气电子工程师学会和英 国电气工程师学会出版的120多种期刊、600 多种会议录、近900种标准的全文信息。 2. INSPEC是物理学、电子工程、电子学、计算 机科学及信息技术领域的权威性文摘索引数 据库，由英国电机工程师学会（IEE）编辑， 主要收录世界范围内出版的4000多种期刊、 1000多种会议录以及科技报告、图书等文献 的文摘信息
• 有兴趣的同学还可以做靶材制备设备上、 靶材制备与薄膜微结构等方面的调研。
薄膜制备方法和设备的调研
• 分子束外延法（Molecular Beam Epitaxy）分子 束外延(MBE)是一种用于单晶半导体、金属和 绝缘材料生长的薄膜工艺。用这种工艺制备的 薄层具有原子尺寸的精度，这是它的独特特征。 原子逐层沉积导致薄膜生长 。当前，采用 MBE工艺已经制成了世界上第一只单极半导体 激光器，称为量子级联激光器。这种激光器与 传统激光器有本质的不同，它采用相同组分的 半导体材料，简单地改变量子阱的宽度就可以 调整发出光的波长。
３．Academic Press Academic Press所收录材料科学类期刊 ， AcademicPress是美国著名的学术出版社， 该社出版的210种电子期刊通过IDEAL 系统提供服务。 ４．中国学术期刊网。学位论文查询等很 多数据库。
• 网上的搜索网站：www.google.com baidu.com等网站。 • 怎么使用这些资源？ 对图书馆资源可以参看电子资源导航里边 的数据库使用指南。 比如说IEEE/IEE Electronic Library (IEL) 数 据库的使用：
• 隧道显微镜，有电子隧道显微镜、扫描隧道显微镜（STM).扫描 隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体 表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表 面形貌的新型显微装 置。具有原子级分辨率，可实现了对单个原子的控制与操作 。
低温超高真空STM装置
• 原子力显微镜（AFM）,有接触式、轻敲式两 种工作模式。原子力显微镜的设计思想是这样 的：一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一 个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时， 由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产 生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将 微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行 放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信 号。从这里我们可以看出，原子力显微镜设计 的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大 原子之间的作用力，从而达到检测的目的。 主 要用于表面形貌的测量。
•
等。
透明导电薄膜特性及应用
其基本特性是在可见光范围内，具有低电阻， 高透射率． • 目前在高功率激光技术中抗激光损伤涂层， 光电化学电池中的光阴极，轨道卫星上温度 控制涂层上的抗静电表面层等许多方面都有 广泛的应用．


透明导电薄膜的种类
目 前 用 得 最 多 的 有 ： 氧 化 铟 （ Indium Oxide ） , 二 氧 化 锡 （ Tin Oxide ） , 氧 化 锌 （ Zinc Oxide ） , 以 及 锡 酸 镉 （ Cadmium Stannate）等。
•
另外还有扫描探针显微镜（SPM）、静 电力显微镜（EFM) 、AES测量（用俄 歇电子能谱考查薄膜样品在深度方向的 均匀情况） 。 电学方面的测量主要有：利用Hall效 应测量仪测载流子的浓度、类型、迁移 率。 利用四级探针测薄膜样品的电阻率 、 方块电阻等。
光学性质的测量，主要是光致发光普 （Photoluminescence简称CL）、阴极射 线发光光谱的测量（Cathodeluminescence 简称PL）。研究了发光与薄膜晶体结构, 以及发光与激发电子束流的关系等。并 从中推测出ＺｎＯ薄膜中的发光中心。
如何进行科学调研
• • • • • 了解国内外对相关课题的研究现状； 找出你自己感兴趣的研究方向； 着重调研国内外对这些方向的研究； 分析他们所做研究的优缺点； 为解决某些问题，提出自己的见解或技 术方案。
调研的领域
主要包括四个方面： • ZnO薄膜性质及应用方面的调研； • 靶材制备工艺的调研； • 薄膜制备方法和设备的调研； • 薄膜的结构和性能测试的调研。
前
言
实验的要求与时间安排 最后评估 怎样去调研
本次实验目的
ZnO薄膜的制备 ZnO薄膜的性能测试 展望和建议
实验要求
• 本实验为四级普通物理实验，是我校根据教 改需要在全国首次提出的改革措施．它在一 二三级实验的基础上对学生提出了更高的要 求． • 四级实验主要以科研为主，组织若干个围绕 物理实验的课题，以科学研究的方式进行实 验教学，以提高学生的科研素质。
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探针针尖曲率半径:小于10纳 米 针尖夹角:22度 工作模式:接触、非接触 材料：高参杂硅 镀层材料： W,W2C,TiO,TiN,Cr,Co 镀层厚度：10-20纳米 导电镀层电阻率：5-50微欧 姆厘米
硅超细原子力探针
烟草花叶病毒(MTV) 的AFM象 云母的AFM象
• 我们的实验是一个系列实验，它有四部 分组成，即：化学清洗与靶材的压制， ZnO薄膜的制备，薄膜结构性能的测试， 薄膜电学性能的测试等. 这个实验是按照科研培训的程序来安排 的，具体安排如下：
1. 把学生分组，由老师讲解，提出调研 方向和实验要求． 2. 学生按照所提要求自行调研，写出开 题报告． 3. 组织有关人员对报告进行评议，从而 最终确定实验方案．
• 调研中可能用到的英文词汇： 薄膜：films 性质：properties 应用： aplliance 太阳能电池：solarcells 压电效应：piezoelectricity 光电子： Photoelectron 光电子学：optoelectronics 电学性质：electronical conductivity 气敏特性：gas-sensing property
物理研究所和沈阳科学仪器研制中心合作研 制成功我国第一台激光分子束外延设备。
• 气相法有Metalorganic Chemical Vapor Deposition （MOCVD）、Plasma-enhance chemical vapor deposition(PECVD） 还有等离子体化学气相沉积（PCVD）是一种新 型的脉冲直流等离子体辅助沉积硬质镀膜新技 术。在一定压力、温度（~ 500℃ ）的真空炉 内，加入适当比例的不同工作气体（如H2、 N2、Ar、TiCH3等），在脉冲电压（~1000V） 的作用下，通过辉光放电产生均匀等离子体。 在不同工艺条件下，可在被处理工件表面形成 各种硬质膜如TiN、TiC、TiCN、(Ti、Si)N、 (Ti、Si)CN及多层复合膜等
等离子体化学气相沉积设备
• 液相法，有电泳沉积法（electrophoretic deposition ）、溶胶-凝胶法（SOL-GEL） 等 • 其他方法，还有热电子束蒸发法、电子 回旋共振反应溅射制备ZnO膜、直流磁 控溅射法、射频磁控溅Baidu Nhomakorabea法等。 我们实验室主要用的是射频磁控溅射 法。
型 号 ： 技 术 指 标 ：
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工作模式： 接触模式(大气或液体中)： 表面形貌成像 正向力成像、侧向力成像 粘滞力成像 局部粘度/弹性成像 机械刻蚀、电阻冲刻蚀 非接触模式(大气或液体中)： 表面形貌成像、相位成像 应用:DNA和染色体结构,蛋白 质 /酶反应,蛋白质吸收,生物大分 子,细胞表面抗原,薄膜,病毒其 P47BIO扫描原子力显微镜 他微生物.