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高温PLD制备Al掺杂ZnO薄膜及其性质研究
摘要
本文采用高温脉冲激光沉积（PLD）技术，制备了Al掺杂ZnO薄膜，并通过X射线衍射、紫外-可见吸收光谱、场发射扫描电子显微镜等技术对其微观结构、光学性能和场发射性能进行了分析。实验结果表明，Al掺杂ZnO薄膜为多晶结构，掺杂浓度越高，晶体结构明显改变，晶粒尺寸也随之减小；同时，随着掺杂浓度的增加，样品的光吸收边界红移，出现了明显的吸收峰，显示出良好的光学性能；另外，Al掺杂ZnO薄膜的场发射性能也有所提升，达到了较好的场发射效果。
关键词：高温PLD；Al掺杂；ZnO薄膜；微观结构；光学性能；场发射性能
Abstract
Thispaperutilizeshightemperaturepulsedlaserdeposition(PLD)technologytoprepareAl-dopedZnOthinfilms,andanalyzestheirmicrostructure,opticalpropertiesandfieldemissionpropertiesthroughX-raydiffraction,ultraviolet-visibleabsorptionspectroscopy,fieldemissionscanningelectronmicroscopyandothertechnologies.TheexperimentalresultsshowthattheAl-dopedZnOthinfilmhasapolycrystallinestructure,andasthedopingconcentrationincreases,thecrystalstructurechangessignificantly,andthegrainsizedecreases.Atthesametime,withtheincreaseofdopingconcentration,thesample'sopticalabsorptionboundaryshiftstothered,andasignificantabsorptionpeakappears,showinggoodopticalproperties.Inaddition,thefieldemissionpropertiesofAl-dopedZnOthinfilmshavealsobeenimproved,achievinggoodfieldemissioneffects.
Keywords:hightemperaturePLD;Al-doping;ZnOthinfilm;microstructure;opticalproperties;fieldemissionproperties
1.介绍
近年来，金属氧化物半导体材料（如ZnO、TiO2等）以其独特的电学性能和光学性能引起了广泛的关注。其中，ZnO材料具有宽能带隙、高电通量导率、高电学常数、高可见光透过率和良好的光化学稳定性等特性[1]，可以广泛应用于纳米电子器件、光学器件和光电器件等领域。但是，ZnO材料在真实应用中会受到一些限制，例如：ZnO材料的纯度、导电性等方面存在局限。为了克服这些问题，研发人员对ZnO材料进行掺杂提高其电学性能，Al就是其中比较有效的掺杂元素之一[2]。Al掺杂后的ZnO薄膜不仅可以提高其导电性，还可以提高其透明度和稳定性等性能[3][4]，因此具有很大的研究价值和应用前景。
高温脉冲激光沉积（PLD）是目前制备薄膜的一种有效方法，该技术具有快速、简便、精确控制等优点，被广泛应用于制备金属氧化物薄膜等。然而，要制备高质量的Al掺杂ZnO薄膜，并且要研究其微观结构、光学性能和电学性能等方面，需要对PLD技术有深入的了解。
本文就采用高温PLD技术制备Al掺杂ZnO薄膜，并分别对其微观结构、光学性能和场发射性能进行了系统的研究。
2.实验方法
2.1实验材料
本实验所使用的靶材为纯度为99.99%的ZnO和Al2O3，用重量比1：0.05混合制成。
2.2薄膜制备
在实验中使用的PLD装置如图1所示。首先，将制备好的ZnO-Al2O3混合物制成圆形靶材，通过高能量激光束将靶上物质剥离出来，形成靶材等离子体，然后被沉积到表面的基板上，形成Al掺杂ZnO薄膜。
图1PLD装置
在制备过程中，在真空条件下，调整激光功率、靶材与基板的距离、气压力等参数以达到理想的薄膜制备效果。其中，激光功率为400mW，气压为0.1Pa，基板温度为400℃。薄膜的厚度为300nm。
2.3实验测试
通过X射线衍射仪（XRD，SmartLab）对薄膜的晶体结构和相组成进行分析。通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis，Lambda750）分析薄膜的光学性能。通过场发射扫描电子显微镜