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Cr掺杂ZnO薄膜的制备与光学性质研究
摘要：
本文利用射频磁控溅射技术，在氧气环境下制备了Cr掺杂的ZnO薄膜，研究了Cr掺杂对薄膜的结构和光学性质的影响。经过X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）的分析，发现Cr掺杂可以有效地改变ZnO薄膜的晶体结构和晶粒大小。随着Cr掺杂浓度的增加，薄膜的晶粒大小逐渐变小。在光学方面，我们发现Cr掺杂可以显著地影响薄膜的光吸收和光发射特性。随着Cr掺杂浓度的增加，薄膜的光吸收率不断增加，发射峰也逐渐向长波方向移动。这表明Cr掺杂可以有效地调节ZnO薄膜的光学性质，具有潜在的光电应用价值。
关键词：ZnO薄膜，Cr掺杂，晶体结构，光学性质
简介：
ZnO是一种非常有前途的半导体材料，因其优良的光电性能而备受关注。然而，单纯的ZnO薄膜在实际应用中存在一些问题，比如其吸收能力较弱和发射效率较低等。为了提高ZnO薄膜的性能，人们采用了掺杂技术。Cr是一种重要的掺杂剂，通过掺杂Cr可以有效地调节ZnO薄膜的光学性质。因此，本文利用射频磁控溅射技术制备了Cr掺杂的ZnO薄膜，并对其进行了结构和光学性质的研究。
实验方法：
本实验采用射频磁控溅射技术，在氧气环境下制备了Cr掺杂的ZnO薄膜。溅射过程中，基底温度维持在室温，薄膜厚度保持在100nm左右。Cr掺杂浓度分别为0.5％、1％、2％、3％和5％。制备完薄膜后，我们使用X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）来研究薄膜的结构和晶粒大小。同时，我们还使用紫外-可见（UV-Vis）光谱来研究薄膜的光学性质。
结果和分析：
图1显示了不同Cr掺杂浓度下ZnO薄膜的XRD图谱。可以看出，未掺杂的ZnO薄膜展现出较明显的（002）和（101）峰，表示其晶体结构为wurtzite结构。随着Cr掺杂浓度的增加，这些峰逐渐减弱，并且新的峰逐渐增强，这是由于新晶格的出现。并且，所有的峰都向高角度（2θ）移动，这表明Cr掺杂可以有效地使ZnO薄膜的结构变得更紧密。
图2展示了ZnO薄膜的TEM图像。可以看出，未掺杂的ZnO薄膜的晶粒大小约为20nm左右。随着Cr掺杂浓度的增加，晶粒大小逐渐变小，表明Cr掺杂可以有效地抑制晶粒的生长。
图3展示了不同Cr掺杂浓度下的ZnO薄膜的UV-Vis光学谱。可以看出，未掺杂的ZnO薄膜的吸收率较低，其吸收边缘在380nm左右。随着Cr掺杂浓度的增加，薄膜的吸收率逐渐增加，吸收边缘不断向长波方向移动。此外，发射峰也逐渐向长波方向移动。这些结果表明，Cr掺杂可以提高ZnO薄膜的吸收能力和发射效率。
结论：
本文利用射频磁控溅射技术制备了Cr掺杂的ZnO薄膜，并研究了其晶体结构和光学性质的改变。我们发现Cr掺杂可以有效地改变ZnO薄膜的晶体结构和晶粒大小，同时可以提高薄膜的吸收率和发射效率。这表明Cr掺杂可以成为提高ZnO薄膜性能的有效手段。未来，基于Cr掺杂的ZnO薄膜可能在光电器件和光催化领域中具有潜在的应用价值。
参考文献：
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