MgxZn1-xO薄膜的红外光谱及其表面浸润性

　　采用溶胶-凝胶法制备MgxZn1 - xO 薄膜，利用X 射线衍射仪、原子力显微镜、傅里叶变换红外光谱仪和荧光光谱仪等测试分析薄膜的微结构、表面形貌、红外光谱和光致发光特性等，研究结果表明，薄膜中的ZnO 成分均呈六角纤锌矿结构，当x = 0.15 时，薄膜中有MgO 成分析出；随着x 从0 增大到0.15，均方根粗糙度不断减小；1038 cm- 1 附近的吸收峰对应于Si-O-Si的对称和反对称伸缩振动模， 408cm^-1附近的吸收峰对应于六角结构ZnO 的Zn-O 振动模，900 cm^{- 1} 附近的吸收峰则对应于Si-O 键伸缩振动模，该吸收峰强度的减弱说明薄膜中Si-O 键数目减少。近带边发射峰位由410 nm 蓝移到370 nm 与薄膜导带底或价带顶的局域能级、薄膜禁带宽度变化等因素有关，可见光发射带是单离子氧空位(VO +) 和氧填隙(Oi) 等薄膜本征缺陷相互竞争的结果。用接触角测试仪测试薄膜的表面接触角，研究Mg 含量对薄膜的表面浸润性及其光诱导可逆转变的影响，并探讨其形成机理。

　　ZnO是一种重要的n 型宽禁带半导体材料，禁带宽度3.37 eV，室温激子结合能约为60 meV，远大于GaN 的25 meV。因其独特的光电特性，ZnO 基薄膜材料在太阳能电池、透明导电ZnO 薄膜电极、表面声波器件、气敏传感器、光催化、紫外发光器件、可见光发射等领域具有广泛的应用前景，受到科研工作者的广泛关注。

　　人们通过改变掺杂元素和掺杂量以提高ZnO 薄膜的成膜质量和光电性能，对Mg 掺杂ZnO 薄膜开展研究工作的课题组较多，大部分的工作是研究Mg 含量对ZnO 薄膜禁带宽度和光致发光特性影响，而有关Mg 掺杂ZnO 薄膜红外特性的研究工作相对较少。考虑到红外光谱可以探测薄膜与基片的界面特性，而界面对薄膜的微结构、表面形貌及其表面浸润性影响较大，因此，研究红外光谱和表面浸润性及其二者之间的关系具有重要意义。人们采用多种方法，如脉冲激光沉积技术( PLD) 、磁控溅射技术、化学气相沉积技术(CVD) 、热蒸发、分子束外延和溶胶-凝胶技术等制备ZnO 薄膜，溶胶-凝胶法因其设备简单、无需真空环境、制备成本低廉、易于原子水平掺杂、成膜均匀性好等优点成为一种重要的ZnO 薄膜制备方法。

　　本文采用溶胶-凝胶法制备了不同Mg 含量MgxZn1-xO 薄膜，研究了Mg 含量对MgxZn1-xO 薄膜微结构和表面形貌的影响，研究MgxZn1-xO薄膜的傅里叶红外光谱和光致发光谱，并探讨其形成机理，研究了MgxZn1-xO 薄膜的表面浸润性及其光诱导可逆转变。

1、实验方法

　　1.1、样品制备

　　采用溶胶-凝胶法在双抛Si 片上制备MgxZn1-xO( x = 0，0.05，0.10，and 0.15) 薄膜，Si 片依次在丙酮溶液中、去离子水中超声清洗15 min，最后在60°C条件下烘干备用。实验所用化学试剂均为分析纯，将摩尔比为(1 - x ) : x 的二水合醋酸锌( Zn( CH3COO) 2H2O) 与四水合乙酸镁( C4H6O4Mg·4H2O) 溶于80 mL 乙二醇甲醚中，形成金属离子总浓度为0. 5 mol /L 溶液，然后向溶液中加入与金属离子等物质量的乙醇胺作为稳定剂。该溶液在60℃水浴条件下磁力搅拌2 h，形成均一透明溶胶，溶胶用于镀膜之前陈化24 h。镀膜过程如下: 首先在低速条件下滴加溶胶，随后在高速条件下形成旋转30 s，形成的湿膜在150℃条件下热处理10 min 后自然冷却，上述过程重复10 次，获得所需厚度的薄膜，最后，将薄膜放入管式炉中，在700℃的大气氛围中进行退火处理，时间为60 min。

　　1.2、薄膜结构和性能表征

　　用MACM18XHF 型X 射线衍射仪( XRD，CuKα，波长λ = 0. 15405 nm) 测试薄膜的XRD 图谱，管流为100 mA，管压为40 kV，掠射角为2°，扫描速度为8° /min，扫描角度范围为30° ～ 80°；利用CSPM-4000 型原子力显微镜( AFM) 测试薄膜的表面形貌，扫描方式为接触式，扫描范围3000 nm × 3000 nm;用VERTEX 80 傅里叶红外显微联机系统测试薄膜的红外光谱，扫描范围为4000 ～ 400 cm - 1 ；用HITACHIF - 4500 型荧光光谱仪测试薄膜的室温光致发光谱，氙灯的激发波长选择325 nm，光谱范围选择350 ～ 600 nm。用自制接触角测试仪测试光照前和光照2 h 后薄膜的表面接触角，光照用低压汞灯的波长为254 nm，功率为36 W，灯样距为10 cm。然后，将薄膜样品放置在黑暗环境中放置一段时间，再用接触角测试仪测试薄膜的表面接触角，研究薄膜表面浸润性及其光诱导可逆转变。

3、结论

　　采用溶胶-凝胶法在双抛Si 片上制备出MgxZn1 - xO( x = 0，0.05，0.10，和0.15) 薄膜，研究了MgxZn1 - xO 薄膜的微结构、表面形貌、傅里叶红外光谱和光致发光特性，结果显示，除了Mg0.15 Zn0.85O 薄膜以外，其它薄膜中只观察到六角纤锌矿结构ZnO的衍射峰，当x = 0. 05 时，薄膜的c 轴择优取向最为明显。随着x 不断增大，颗粒分布均匀，粗糙度下降，近带边发射峰位由410 nm 蓝移至370 nm，可见光发射带的峰位先蓝移后红移。408 cm -1 附近的红外吸收峰说明薄膜中存在六角结构ZnO，900 cm - 1吸收峰的强度随Mg 掺杂量的增加而减弱，说明薄膜中Si-O 键数目减少。光照前薄膜表面接触角是其表面自由能和表面粗糙度共同作用的结果，光照后薄膜的接触角则与其r 值和非极性面与极性面的比值密切相关。