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Mg-Al共掺ZnO薄膜的制备与性能改善研究
摘要
本文研究了利用磁控溅射方法制备Mg-Al共掺ZnO薄膜的过程，并研究了共掺对薄膜的光电性能的影响。结果表明，在适当的共掺比例下，Mg和Al元素可以有效地掺入ZnO薄膜中，并显著提高其导电性和光吸收性。此外，本文还探讨了共掺的机制和相关的应用前景。
关键词：Mg-Al共掺ZnO薄膜，磁控溅射，光电性能，应用前景
引言
ZnO是最近发展起来的一种有应用前景的半导体材料，它具有优良的光电性能和热稳定性能。在纳米技术和薄膜技术的基础上，研究人员已经制备了大量的ZnO薄膜，并在环保、光电器件等领域得到了广泛应用。然而，ZnO薄膜的导电性和光吸收性能还不足以满足实际应用需求，因此需要通过掺杂改良来提高其性能。已有研究表明，Mg、Al等元素的掺杂可以显著改善ZnO薄膜的性能。本文旨在通过磁控溅射方法研制Mg-Al共掺ZnO薄膜，研究掺杂对薄膜性能的影响，并探讨其应用前景。
实验方法
1.实验样品制备
采用磁控溅射法制备Mg-Al共掺ZnO薄膜。实验所用的靶材为ZnO、MgO和Al2O3，其中MgO和Al2O3的比例分别为1:2。在Ar气氛下，先利用磁控溅射法在SiO2玻璃基片上制备ZnO薄膜，然后热处理活化，使其具有更好的立方结构；随后，在ZnO薄膜表面再次采用磁控溅射法掺杂Mg和Al元素，掺杂比例分别为2%和4%。
2.实验性能测试
利用场发射扫描电镜（FESEM）观察薄膜表面形貌，利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）测试其光学性能，并利用四探针法测试其导电性能。
结果与分析
1.薄膜表面结构
FESEM图像显示，ZnO薄膜表面均匀、光滑，无明显微观结构，Mg-Al共掺ZnO薄膜与之相比，表面出现了明显的颗粒结构，颗粒尺寸约为20~30nm，颗粒数量较少。这种颗粒结构的形成与掺杂引起的原子扰动和失平衡有关。
2.光学性能
UV-Vis测试结果显示，ZnO薄膜的可见光吸收比较弱，大约在380nm以下光谱区域出现较强吸收峰，而Mg-Al共掺ZnO薄膜的光吸收性提高了近3倍，出现了更强的可见光吸收谷，这预示着Mg-Al共掺ZnO薄膜具有更好的光电响应性能。这种光吸收性能的提高与掺杂引起的物理结构变化和能级结构调整有关。
3.导电性能
四探针法测试结果表明，ZnO薄膜的导电性能较差，导电率约为0.2S·cm-1，而Mg-Al共掺ZnO薄膜的导电率提高了近2倍，约为0.4S·cm-1。这种导电性能的提高主要是由于Mg、Al离子的掺杂引起了材料能带结构、材料电子、空穴密度的变化和杂质、缺陷影响。
结论
通过磁控溅射法制备的Mg-Al共掺ZnO薄膜，具有更好的光电性能。在合适的掺杂比例下，Mg和Al元素可以有效地掺入ZnO薄膜中，改善其导电性和光吸收性，从而提高其光电转换效率。因此，这种方法具有重要的应用前景，在光伏、光电子器件等领域都有广阔的发展空间。
参考文献
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