溶胶-凝胶法制备Li掺杂ZnO纳米薄膜及其表征

2013-08-23 陈新华 景德镇陶瓷学院机电学院

  采用溶胶-凝胶法在玻璃基底上制备了ZnOBLi 薄膜。研究了薄膜厚度对薄膜结构及光电性能的影响,结果表明:所有薄膜均由具有c 轴优先生长取向的六角纤锌矿结构的ZnO 晶体构成,晶体的粒径随厚度的增加先增大而后减小;薄膜的方阻随厚度的增加先减小后增大,当薄膜厚度为6 层时,可获得最低方阻;所有薄膜均是透明的,在可见光区的平均透光率> 80%;薄膜具有较强的紫外、绿光发光特性以及微弱的蓝光发光特性,随着薄膜厚度的增加,三种发光峰逐渐增强。

  ZnO 薄膜是一种新型的II-IV 族宽禁带半导体材料,禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能为60 meV,常见的多晶ZnO 为六角纤锌矿结构。ZnO 具有材料来源非常丰富、价格低廉、无毒、化学稳定性较高、易实现掺杂等优点,因此在透明电极、平板显示器和太阳能电池领域得到了广泛的应用。目前,许多薄膜制备技术可以用于ZnO薄膜的生长,包括有磁控溅射(Magnetron Sputtering) 、脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition) 、化学气相沉积(CVD) 、喷雾热解(Spray Pyrolysis) 、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) 、溶胶-凝胶法( So-lGel) 等。其中,溶胶-凝胶法( So-lGel) 具有成膜均匀性好,与衬底附着力强,易于原子级掺杂,可精确控制掺杂水平等优点,而且无需真空设备,工艺简单,正受到薄膜研究人员的广泛注意。

  掺杂可以有效的改进半导体的光电特性。掺杂Al 元素制备出了性能良好的ZnO 薄膜和透明电极,Mg 掺杂可以改变ZnO 薄膜的禁带宽度,提高光学性能,掺杂Co,Ni,Mn 等可以制备出磁性材料,Pd 或Ag 掺杂ZnO 纳米粒子的光催化活性大幅度提高。而有关碱金属掺杂ZnO 薄膜研究的报道比较少,有待进一步探索。本文采用溶胶-凝胶法在石英玻璃衬底上使用旋涂法生长了结晶质量高、取向性好的ZnOBLi 薄膜,并着重研究了薄膜厚度对ZnOBLi 薄膜结构和光电性能的影响。

1、实验

  实验中采用的原料为分析纯的乙酸锌(Zn( CH3COO ) 2# 2H2O) 、无水乙醇( C2H5O ) 、乙醇胺( C2H7NO) 和氯化锂( LiCl) 。称取10 g Zn( CH3COO) 2#2H2O,溶解于60 mL 无水乙醇,加入与Zn2+ 摩尔比为1B1 的乙醇胺作稳定剂,60 ℃回流搅拌1 h 后,再分别加入一定摩尔比的氯化锂( LiCl ) 粉末,60 e 回流搅拌1 h。然后在空气中静置陈化5 d,得到不同掺杂的锌溶胶。实验采用旋转涂覆技术制备薄膜,基底为抛光石英玻璃。镀膜前,基底依次用洗洁剂、浓盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗15min 后在加热平台上烘干。在匀胶机上先以1000 r/min 匀胶12 s,再以4000 r/min 匀胶30 s,置于加热平台上300 ℃干燥10 min。为了使薄膜达到一定的厚度,上述过程分别重复4、6、8 次。最后用SX-4-10箱式电阻炉,在600 ℃大气环境下退火1 h。

  采用D/max-RA 型X 射线衍射( XRD) 仪表征薄膜的物相组成和结晶情况,Cu 靶,K A辐射源( K=0.154056 nm) ,工作电压为40 kV,工作电流为36mA。采用QuanTA-200F 型环境电子扫描电子显微镜( SEM) 分析薄膜的表面形貌。采用紫外-可见分光光度计(Perkin Elmer Lambda 750) 分析薄膜的光学性能。采用偏振稳态荧光光谱仪( Nicolet F-7000) 分析薄膜的光致发光效果。采用KDY-1 型四探针电阻率/ 方阻测试仪分析薄膜的电学性能。

3、结论

  采用溶胶-凝胶法在石英玻璃上制备了ZnOBLi薄膜,主要研究了薄膜厚度对薄膜结构、光电性能的影响,结果表明: 薄膜样品的生长具有明显的(002)方向的择优取向,随着薄膜厚度的增加,XRD 图谱中衍射峰的强度先增大后减小。薄膜的晶粒随薄膜厚度先增加而后减小。薄膜方阻随厚度的增加有先减小后增大的变化趋势,而厚度为6 层的薄膜方阻最小,导电性能最好。随薄膜厚度增加,薄膜透射率逐渐减小,薄膜的紫外吸收边发生了红移,意味着薄膜的光学禁带宽度减小。在325 nm 波长激发源的激发下,薄膜样品具有较强的紫外、绿光发光特性以及微弱的蓝光发光特性,随着薄膜厚度的增加,三种发光峰逐渐增强。