磁控溅射法制备掺杂ZnO功能薄膜材料.docx

姓名：严希演
班级：应用物理071
学号：
成绩：
材料物理实验报告
实验时间年月日
[实验名称]
磁控溅射法制备掺杂ZnO功能薄膜材料

[实验目的]
掌握多靶磁控溅射镀膜机的使用方法，利用多靶磁控溅射镀膜机制备掺杂ZnO薄膜。
熟悉常用的材料表征方法表征薄膜结构、力学、电学、光学性能。
培养学生自主动手及创新能力。

[实验仪器]

磁控溅射
溅射法沉积薄膜的原理是：利用被电离的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向溅射的靶电极，在入射离子能量合适的情况下，将靶表面的原子溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向基片，从而实现在基片上沉积薄膜。
实现薄膜沉积第一步就是气体分子在电场中辉光放电。被电离的正离子（一般是Ar3+）在电场的作用下，向靶阴极加速运动，具有高能量的离子到达靶阴极轰击靶材，将靶源材料以原子或分子的状态溅射出来，被溅射出来的具有高能量的粒子沉积到基片上，形成薄膜。
2、掺杂ZnO薄膜
ZnO是直接带隙宽禁带氧化物半导体，常温下禁带宽度为3.37eV，且束缚激子能高达60meV，具有良好的催化性、压电性、光电性、气敏性和化学稳定性，是一种新型的光电材料。
ZnO之所以具有优良的电学和光学特性，与它自身结构有着必然的联系。ZnO与GaN的晶体结构相同，均为纤锌矿结构。ZnO的晶体结构如图1.1所示，是由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向嵌套而成的，每个锌原子都位于4个相邻的氧原子形成的四面体间隙中，但只占其中半数的氧四面体间隙；氧原子的排列情况与锌原子相同，也只占其中半数的锌四面体间隙，因而这种结构比较开放。这种结构的ZnO具有较高的透明性（可见光范围内平均透过率在90％以上）和较高的电阻率（高于106Ω·cm）。ZnO的这种比较开放的晶体结构决定了它易实现掺杂，并且少量的掺杂不会影响ZnO的晶体结构。
ZnO的六角密堆积结构
ZnO属于直接带隙半导体。只有用能量大于其光学带隙的光子（波长约为368nm的紫外光）照射ZnO薄膜材料时，薄膜中的电子才会吸收光子从价带跃迁到导带，产生强烈的光吸收。所以ZnO只对368nm以下的紫外光产生吸收，而对波长大于368nm的可见光则有很高的透过性，可见光范围内的平均透过率可高达90%以上[3]。
ZnO薄膜的发光机制是被激发的电子从高能级向低能级跃迁而产生的。参与量子跃迁的能级不同，其发出的荧光也就不同。ZnO薄膜的本征发光是从导带到价带的跃迁而产生的紫外发光，关于ZnO薄膜的蓝色发光、绿色发光、红色发光等也已见报道。这些发光是由ZnO薄膜中存在的本征缺陷引起的。ZnO材料的一个突出特点是具有高达60meV的激子束缚能，如此高的束缚能使得它在室温下稳定、不易被热激发（室温下的分子热运动能为26meV），从而降低了室温下的激射阈值，提高了ZnO材料的激发发射效率。因此ZnO薄膜在发光器件方面有着广泛的应用。
在ZnO薄膜中掺杂Al元素形成theAl-dopedZnO(ZAO)薄膜。ZAO薄膜由于其独特的光学和电学性能“透明、导电”而倍受人们的青睐。与In2O3∶Sn（ITO）薄膜相比，它们具有原材料的自然界储量丰富、易于制造、成本低廉、无毒、热稳定性和化学稳定性好等优点，因此，其必将成为新一代透明导电氧化物薄膜的代表。目前，这类薄膜没有形成商业化生产的主要原因是工业化大面积生产制备技术还不过关，制备工艺的可重复性、可靠性及成膜质量的均匀性都较差，人们还没有找出最佳的制备工艺参数。通过对其制备技术及工艺的研究，分析制备工艺与组织结构及光、电性能的关系，探索稳定、可靠、可重复的最佳制备工艺，获得均匀的薄膜，实现批量化生产，具有重要的生产应用价值和经济效益。
在ZnO薄膜中掺杂Mn元素形成ZnMnO(theMn-dopedZnO)薄膜。在光电子器件制备中，调制各组成层的光学常数和带隙宽度而又保持晶格常数彼此接近对于构建异质结、量子阱及超晶格是非常重要的。人们尝试在ZnO中掺杂其它元素以获得新的功能材料。ZnMnO材料就是其中的一种，类似于ZnO材料，它可以用来与ZnO构建异质结、量子阱和超晶格。ZnMnO的带隙可以通过改变Mn含量从3.2eV增加到3.7eV，而c轴晶格常数的变化仅为0.9%,，这是由于Mn2+半径与Zn2＋半径相近,Mn2+替代晶格中的Zn2+后不会引起晶格常数明显变化，从而保证器件各组成层的晶格匹配。由此可见，ZnMnO薄膜可以直接作紫外发光材料。另外，2000年，Dietl用平均场理论预言ZnO掺Mn在室温下具有铁磁性。自从该工作发表以来，Mn掺杂ZnO体系引起了研究人员强烈的兴趣，成为稀磁半导体领域重点研究的材料之一。ZnO中掺杂过渡金属离子Mn有可能获得稀磁半导体(DMS)，一旦获得成功，将会增加半导体材料的使用