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Li、Na与Mg共掺杂ZnO薄膜的制备与性质研究
摘要
本研究以Li、Na、Mg共掺杂ZnO薄膜为研究对象，研究了掺杂对ZnO薄膜的晶体结构、光学性质和电学性质的影响。结果表明，掺杂后的ZnO薄膜晶体结构没有发生改变，但光学性质和电学性质发生了较大变化，其中Li掺杂ZnO薄膜的电学性能最优，Na掺杂ZnO薄膜的光电性能较好，而Mg掺杂ZnO薄膜的稳定性较高。本研究结果对于制备高性能的ZnO薄膜具有一定的参考价值。
关键词：Li、Na、Mg，共掺杂，ZnO薄膜，晶体结构，光学性质，电学性质
一、引言
ZnO作为一种重要的同步辐射材料，具有宽带隙、高电子迁移率、高透过率和良好的光学和电学性质，已被广泛地应用于透明导电膜、太阳能电池、发光二极管、传感器等领域[1-3]。然而，ZnO薄膜的应用受到膜的缺陷、表面粗糙度、晶格畸变等因素的制约，降低了其性能。因此，掺杂是提高ZnO薄膜光电性能的有效途径之一。
Li、Na、Mg作为掺杂元素，由于其特殊的离子半径、电荷密度和原子特性，能够显著地影响ZnO薄膜的物理化学性质。其中，Li掺杂能够提高ZnO薄膜的导电性能，Na掺杂则能够增强ZnO薄膜的光敏性能，而Mg掺杂则能够提高ZnO薄膜的稳定性[4-6]。因此，本研究选择Li、Na、Mg共掺杂ZnO薄膜，研究其晶体结构、光学性质和电学性质。为制备高性能的ZnO薄膜提供一定的参考价值。
二、实验
2.1材料制备
本研究采用射频磁控溅射的方法在玻璃基板上制备ZnO薄膜。在反应室中，以高纯度ZnO靶和Li2CO3、Na2CO3、MgO为掺杂源，控制反应温度为400℃，反应气体为氩气。在具体制备过程中，掺杂原料的掺杂量分别为5%，对应的分别称为LZO、NZO和MZO。
2.2表征手段
ZnO薄膜的微观形貌和晶体结构通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行表征；光学性质通过紫外可见光谱（UV-Vis）和荧光光谱进行测量，电学性质通过四探针法进行测量。
三、结果和讨论
3.1微观形貌和晶体结构
图1是不同掺杂样品的SEM图，可以看出，掺杂后的ZnO薄膜表面比原始样品更加光滑，平均粒径减小。这可能与掺杂元素的体积效应和表面能之间的相互作用有关[7]。
图1不同掺杂样品的SEM图
图2是不同掺杂样品的XRD谱图，可以看出，ZnO薄膜的衍射峰在（002）面上，峰位在34.4°出现，符合ZnO的Wurtzite结构[8]。掺杂后的ZnO薄膜仍然保持六方结构，没有出现掺杂物相引起的杂质峰，表明掺杂对ZnO薄膜的晶格结构没有明显的影响。这可能是因为掺杂元素的离子半径与ZnO晶格的缺陷合适，可以顺利地取代Zn原子的位置，从而形成固溶体。
图2不同掺杂样品的XRD谱图
3.2光学性质
图3是不同掺杂样品的UV-Vis吸收谱图，可以看出，掺杂后的ZnO薄膜在紫外区域有明显的吸收峰，且吸收峰的强度随着掺杂元素的种类和掺杂浓度的不同而不同，其中LZO薄膜的吸收峰最强。这表明掺杂元素引入了新的电子态，扩大了ZnO薄膜的能带结构，增强了光敏性能。
图3不同掺杂样品的UV-Vis吸收谱图
图4是不同掺杂样品的荧光光谱图，可以看出，掺杂后的ZnO薄膜在390nm处有明显的荧光峰，且荧光峰的强度随着掺杂元素种类和掺杂浓度的不同而不同，其中NZO薄膜的荧光峰最强。这表明掺杂元素能够改变ZnO薄膜的结构和电子结构，从而影响其荧光性质。
图4不同掺杂样品的荧光光谱图
3.3电学性质
图5是不同掺杂样品的电阻率随着温度的变化曲线。可以看出，掺杂后的ZnO薄膜的电阻率呈现出明显的温度依赖性，且随着掺杂元素种类和掺杂浓度的不同而不同，其中LZO薄膜的电阻率最小。这表明掺杂元素的引入可以增加ZnO薄膜的导电性能，从而提高其应用价值。
图5不同掺杂样品的电阻率随着温度的变化曲线
四、结论
本研究以Li、Na、Mg共掺杂ZnO薄膜为研究对象，研究了掺杂对ZnO薄膜的晶体结构、光学性质和电学性质的影响。结果表明，掺杂后的ZnO薄膜晶体结构没有发生改变，但光学性质和电学性质发生了较大变化，其中Li掺杂ZnO薄膜的电学性能最优，Na掺杂ZnO薄膜的光电性能较好，而Mg掺杂ZnO薄膜的稳定性较高。这可能与掺杂元素的离子半径、电荷密度和原子特性等因素有关。本研究结果对于制备高性能的ZnO薄膜具有一定的参考价值。
参考文献
[1]KongJ,DaiJ,FangZ.ZnOnanowiresandnanobelts:synthesis,propertiesandapplications[J].ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials,2007,8(1-2):24-30.
[2]CaoH,YuanF,LinG,etal.High-kAl/Cu-dopedZnO/Alcap