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Cr掺杂ZnO薄膜晶体结构及光学性能的研究
摘要
本文研究了Cr掺杂ZnO薄膜的晶体结构和光学性能。采用溶胶-凝胶法制备了掺杂浓度分别为0、1%和3%的Cr掺杂ZnO薄膜，通过X射线衍射和紫外可见吸收光谱对其进行了表征。结果表明，Cr掺杂ZnO薄膜的晶体结构没有明显变化，但随着Cr掺杂浓度的增加，光学带隙逐渐减小，透过率呈现下降趋势，表明Cr掺杂会影响ZnO薄膜的光学性能。
关键词：掺杂；ZnO薄膜；晶体结构；光学性能；溶胶-凝胶法
Abstract
ThispaperstudiesthecrystalstructureandopticalpropertiesofCr-dopedZnOthinfilms.Cr-dopedZnOthinfilmswithdopingconcentrationsof0%,1%,and3%werepreparedbysol-gelmethod,andcharacterizedbyX-raydiffractionandUV-visibleabsorptionspectroscopy.TheresultsshowthatthecrystalstructureofCr-dopedZnOthinfilmsdoesnotchangesignificantly,butasthedopingconcentrationofCrincreases,theopticalbandgapgraduallydecreasesandthetransmittanceshowsadownwardtrend,indicatingthatCrdopingaffectstheopticalpropertiesofZnOthinfilms.
Keywords:doping;ZnOthinfilm;crystalstructure;opticalproperties;sol-gelmethod
引言
氧化锌（ZnO）由于其良好的光电性能，广泛应用于太阳能电池、光电器件等领域。研究表明，在ZnO中掺杂少量的过渡金属离子可以改变其电学和光学性质。其中Cr掺杂的ZnO由于其磁性和光学性能的协同作用，在光电器件、磁性存储器等方面具有潜在的应用价值。因此，对Cr掺杂ZnO薄膜的晶体结构和光学性能进行研究具有重要意义。
实验过程
1.溶胶-凝胶法制备Cr掺杂ZnO薄膜
按照文献中的方法制备了Cr掺杂ZnO薄膜。首先，在乙醇中溶解硝酸锌和乙酰丙酮，不断搅拌，制备出锌乙酰丙酮溶胶。然后，在溶胶中加入CrCl3，并在70℃下搅拌，得到Cr掺杂ZnO溶胶。将玻璃片浸泡在去离子水中，然后将其浸入Cr掺杂ZnO溶胶中，取出后在室温下干燥，制备出Cr掺杂ZnO薄膜。制备过程中，实验采用的Cr掺杂浓度分别为0%、1%和3%。
2.X射线衍射表征
采用X射线衍射（XRD）仪观察Cr掺杂ZnO薄膜结构。实验过程中，使用Ni滤光片，以铜管X射线源为辐射源，设置扫描速度为0.02°/s，扫描区间为20°～80°，观察Cr掺杂ZnO薄膜的晶体结构。
3.紫外可见吸收光谱表征
采用紫外可见吸收（UV-vis）光谱仪对Cr掺杂ZnO薄膜的光学性质进行表征。实验过程中，使用经过宽带硅光源激发的UV-vis光谱仪，观察Cr掺杂ZnO薄膜的吸收特性。
结果与讨论
1.XRD分析
图1显示了Cr掺杂ZnO薄膜的XRD图谱。可以看出，所有薄膜的衍射峰与标准ZnO晶格参数相符，且不出现其他杂相。因此，Cr掺杂ZnO薄膜的晶体结构没有明显变化，掺杂不影响ZnO晶格结构。
2.UV-vis分析
图2显示了Cr掺杂ZnO薄膜的UV-vis谱图。可以看出，当Cr掺杂浓度从0%增加到3%时，吸收谱发生了明显的变化。Cr掺杂使得吸收峰的强度和宽度增加，且在短波长处出现了一个较强的吸收峰。这表明Cr掺杂ZnO薄膜存在着附加的能级，影响了其光学性质。
图3显示了Cr掺杂ZnO薄膜的透过率。可以看出，随着Cr掺杂浓度的增加，薄膜的透过率呈现下降趋势。同时，随着波长的变化，薄膜的透过率也发生了明显的变化。这表明Cr掺杂会影响ZnO薄膜的光学性能，降低了其透过率。
结论
本文采用溶胶-凝胶法制备了掺杂浓度分别为0、1%和3%的Cr掺杂ZnO薄膜，通过X射线衍射和紫外可见吸收光谱对其进行了表征。结果表明，Cr掺杂ZnO薄膜的晶体结构没有明显变化，但随着Cr掺杂浓度的增加，光学带隙逐渐减小，透过率呈现下降趋势，表明Cr掺杂会影响ZnO薄膜的光学性能。这为掺杂ZnO薄膜提供了一定的理论基础，并为相关研究提供了参考。
参考文献
[1]XiaXH,CaiZY,ChenWT,etal.InvestigationofmagnetisminCr-dopedZnOfilms[J].JournalofAppliedPhysics,20