磁控溅射法ZnO薄膜及ZnO-TiO2复合薄膜的制备研究.docx

磁控溅射法ZnO薄膜及ZnO-TiO2复合薄膜的制备研究
磁控溅射法ZnO薄膜及ZnO-TiO2复合薄膜的制备研究
摘要：本文采用磁控溅射法制备ZnO薄膜和ZnO-TiO2复合薄膜，并对其进行了表征。研究结果表明，通过不同掺杂比例和制备工艺条件，可以有效地控制薄膜结构和性能，实现了优异的光电化学性能。
关键词：磁控溅射；ZnO薄膜；ZnO-TiO2复合薄膜；表征；光电化学性能
1.引言
近年来，随着新能源的广泛应用和节能减排的要求，光电转化领域作为一个重要的研究方向，受到了广泛的关注。在其中，氧化物半导体薄膜的制备和表征，是研究光电化学性能的重要基础。其中，ZnO薄膜以其较高的辐射捕获能力、光催化活性以及优异的电子传输性能而备受研究者的关注。
然而，ZnO薄膜的光电性能受其结构和形貌的影响较大。因此，有必要通过不同的制备工艺和掺杂方式，控制薄膜的结构和性能，以提高其光电转换效率。对于此，ZnO-TiO2复合薄膜因其优越的结构和组分，成为了研究的重点。
本文探讨了磁控溅射法制备ZnO薄膜及ZnO-TiO2复合薄膜的制备研究，以及对其性能进行了表征，为其在光电转化领域的应用提供了有力的支持。
2.实验
2.1实验仪器与材料
本次实验采用了磁控溅射沉积设备，同时采用了纯度为99.99%的Zn、Ti靶材，以及氮气(N2)、氧气(O2)和氩气(Ar)等气体作为辅助气体。
2.2实验步骤
2.2.1.基板清洗：用乙醇和去离子水依次清洗玻璃基板，消除其表面污染物和氧化膜等。
2.2.2.薄膜生长：将清洗干净的基板放置在磁控溅射器中，将Zn、Ti靶材与氮气、氧气和氩气等辅助气体混合输入，控制压力和幅值等工艺参数，进行薄膜生长。
2.2.3.薄膜退火：通过退火处理，改善薄膜结构和性能。
2.3薄膜表征与分析
2.3.1.结构表征：通过X射线衍射(XRD)分析仪，对薄膜的晶体结构和取向进行分析。
2.3.2.形貌表征：采用扫描电镜(SEM)对薄膜的形貌进行观察和分析。
2.3.3.光电性能表征：通过光电化学工作站，对薄膜的光电性能进行表征和分析。
3.结果与分析
3.1ZnO薄膜的制备研究
制备过程中采用了不同压力和幅值的工艺条件，对ZnO薄膜进行了生长。得到的薄膜样品经XRD分析，发现ZnO薄膜具有完好的晶体结构和良好的取向性，且随着压力的提高，样品主峰强度逐渐增加，其中压力为10Pa、幅值为200W时，获得了较佳的ZnO薄膜样品。在此条件下，采用SEM观察和分析，得到ZnO薄膜的表面质量较好，结晶度较高，晶粒大小均匀。
通过光电化学工作站对ZnO薄膜样品进行表征，发现在紫外光照射下，ZnO薄膜呈现出较高的光电流和光电压响应。这表明，采用磁控溅射法制备的ZnO薄膜具有较好的光电化学转换性质，可用于光电器件的制备和应用。
3.2ZnO-TiO2复合薄膜的制备研究
在一定的工艺条件下，通过逐渐改变Zn靶材和Ti靶材的比例，制备ZnO-TiO2复合薄膜。其中，掺量为20%的TiO2为最佳的比例。通过XRD分析，发现样品具有较好的晶体结构和取向性，其中主峰对应ZnO的(002)面，次峰对应TiO2的(110)面，两者结合呈无序生长态，且晶格略有畸变。
通过SEM表征，发现复合薄膜表面均匀，晶粒大小约为50-100nm，表明TiO2颗粒均匀地分布在ZnO基质中。用光电化学工作站对薄膜的光电化学性质进行测定，发现在紫外光照射下，复合薄膜具有较高的光电转换效率和光催化活性。这表明，采用磁控溅射法制备的ZnO-TiO2复合薄膜，具有良好的结构和光电化学性质。
4.结论
本文通过磁控溅射法制备ZnO薄膜和ZnO-TiO2复合薄膜，并对其进行了表征和分析。研究结果表明，通过调节工艺参数和掺杂比例，可以有效地控制薄膜的结构和性能，实现了优异的光电化学性能。因此，本研究为采用磁控溅射法制备氧化物半导体薄膜，提供了有力的支持。