射频磁控溅射法制备纳米ZnO薄膜的蓝光发射.doc

射频磁控溅射法制备纳米ZnO薄膜的蓝光发射宋国利1，方香云2，梁红11.哈尔滨学院物理系，黑龙江哈尔滨1500862.中国科学院理化技术研究所，北京100190摘要利用射频磁控溅射方法，在石英表面上制备了具有良好的C轴取向的纳米ZnO薄膜。室温下，在300nm激发下，在450nm附近观测到ZnO薄膜的蓝光发射（430～460nm）、。探讨了气氛中氧气与氩气比对薄膜质量及发光性质的影响，给出了纳米ZnO薄膜光致发光（PL）的积分面积和峰值强度与氧氩比关系。分析了纳米ZnO薄膜的可见发射机制，初步证实了ZnO蓝光发射(2.88～2.69eV)来自氧空位(Vo)形成的浅施主能级上的电子至价带顶的跃迁。主题词纳米ZnO薄膜；蓝光发射；射频磁控溅射法中图分类号：Ｏ484文献标识码：A引言ZnO是一种宽禁带直接带隙的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，具有优异的晶格、光学、电学性能。室温下激子束缚能高达60meV，禁带宽度约为3.37eV，尤其是在紫外波段存在受激发射。这种紫外受激发射使得ZnO薄膜成为制备短波长激光、发光半导体重要的候选材料，在紫外探测器、太阳能电池窗口、场致发射显示、LED、LD等领域有广泛的应用前景。自1997年发现ZnO薄膜的室温紫外发射以来，ZnO薄膜的制备及其光电子特性的研究成为新的研究热点，受到国内外光学材料领域的广泛关注[1～8]。目前，研究人员已采用了诸多先进的ZnO薄膜制备方法，主要有分子束外延(MBE)[1～4,9,10]、激光脉冲沉积(PLD)[11]、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)[12]、直流溅射法(DCS)[13]、反应溅射法(AS)[14,15]、射频磁控溅射法(MS)[16,17]等；溶胶－凝胶法(Sol-Gel)[18]等化学手段也被广泛使用。本文利用射频磁控溅射法(Radio-frequencymagnetronsputtering，RFMS)，在石英表面上制备了C轴择优取向的纳米ZnO薄膜。室温下，测量了样品的X射线衍射谱(X-raydiffractionpattern，XRD)和光致发光谱(Photoluminescencespectrum，PL)、吸收谱（Absorptionspectra，ABS）、激发谱(Photoluminescenceexcitationspectrum，PLE)。探讨了气氛中氧气与氩气比对薄膜质量及发光性质的影响，分析了纳米ZnO薄膜的可见发射机制。1实验和测量利用射频磁控溅射方法在石英衬底上沉积了ZnO薄膜。靶材为99.99%的Zn，氧气和氩气的纯度均为99.99%。首先用甲苯、丙酮、乙醇、去离子水对衬底进行超声处理；并将Zn靶在氩气中预溅射10min，以除去Zn靶表面的氧化物。溅射前反应室气压低于5.0×10-4Pa，溅射功率为300W，靶与衬底间距为50mm。溅射过程中气压保持在1.0Pa，溅射时间为1h，衬底温度为300℃，衬底转速为60r/min。溅射过程中，通过调整氧气和氩气的流量来改变二者的比例，氧氩比在0.5:1～4:1范围内变化。其中样品标号为a，b，c，d的氧氩比分别为1.0:1，1.5:1，2.0:1，3.0:1。在空气气氛下，上述四个样品均在800℃退火1h，自然冷却至室温，薄膜厚度约为150～200nm。样品的光谱测量均在室温下进行。X射线衍射谱(XRD)是用日本理学D/MAX－3AX型X射线衍射仪基金项目：国家自然科学基金项目(10776033)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2007RFXXG038)作者简介：宋国利（1964-），男，哈尔滨人，教授；Tele:0451-86655834，E-mail:[e-mail]测得，辐射源为0.1541nm的Cu-Kα线。光致发射谱(PL)和激发谱(PLE)在Hitachi-F-4500型荧光分光光度计上获得，吸收谱（ABS）是用Varian紫外－可见吸收分光光度计测试的，300nm的激发光来自于150W的Xe灯。2结果和讨论图1给出了不同氧氩比的纳米ZnO薄膜的X射线衍射谱（XRD）。在衍射角2θ为34.1°或34.3°附近，出现了较强的ZnO(002)晶面衍射峰。XRD结果表明，在石英衬底上制备的纳米ZnO薄膜为C轴择优取向的六角纤锌矿结构。图1不同氧氩比的纳米ZnO薄膜的X射线衍射谱（XRD）Fig.1X-raydiffractionpatternofnanocrystallineZnOfilmsatthedifferentratioofO2/Arinprocessing利用X射线衍射谱，由Debye-Scherrer公式：d=kλ/βcosθ给出样品的平均粒径，其中β为衍射峰的半高宽(FWHM)，θ为Bragg衍射角，d为晶粒的平均粒径。计算结果为22nm(样品a)，2