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ZnO薄膜的射频磁控溅射制备及性能研究
摘要：
本文以射频磁控溅射技术为基础，制备了不同厚度的ZnO薄膜，并研究了它们在光电子器件中的性能。通过分析不同射频功率、氧气流量、样品转速及沉积时间等参数对样品形态、厚度以及晶体结构的影响，找到了制备高质量ZnO薄膜的最适条件。在此基础上研究了薄膜在光伏电池和发光二极管中的应用，结果表明ZnO薄膜具有良好的光电转换性能和发光性能。
关键词：射频磁控溅射；ZnO薄膜；光伏电池；发光二极管
一、引言
ZnO是一种重要的II-VI族氧化物半导体，具有许多优良的物理和化学性质，例如高透明性、宽带隙、高抗辐照、生物相容性良好等。因此，它在微电子器件、光电子器件等领域得到广泛的应用。其中，ZnO薄膜作为一种重要的光电材料，在实际应用中发挥了重要的作用。射频磁控溅射技术是一种有效的制备ZnO薄膜的方法，具有反应速度快、可控性强、适用性广等优点。
本文以射频磁控溅射技术制备了不同厚度的ZnO薄膜，并研究了它们在光电子器件中的性能。首先，通过对射频功率、氧气流量、样品转速及沉积时间等参数的分析，找到了制备高质量ZnO薄膜的最适条件。其次，通过对光伏电池和发光二极管的测试发现，所制备的ZnO薄膜具有良好的光电转换性能和发光性能。
二、实验方法
2.1材料准备
在无菌条件下，用玻璃基板清洗剂清洗基板并用去离子水清洗干净。然后将基板置于一种为纯度为99.99%的氧化锌(ZnO)目标的镀膜室中。
2.2制备ZnO薄膜
ZnO薄膜的制备是通过射频磁控溅射技术实现的。在制备过程中，首先对制备条件进行优化，包括射频功率、氧气流量、样品转速及沉积时间等参数。然后，将基板放在靶上方，并在真空条件下加热至基板表面温度为500℃。在此过程中，使用射频电流和磁控系统对靶进行激励，并通过控制射频功率和氧气流量调节ZnO薄膜的厚度。在制备完成后，利用X射线衍射仪(XRD)对其进行结构表征。
2.3光电性能测试
利用太阳能模拟器测试所制备的ZnO薄膜在光伏电池中的光电转换性能。同时，通过测试所制备的ZnO薄膜在发光二极管中的发光性能，评估其在光电子器件中的应用潜力。
三、结果与讨论
3.1制备高质量ZnO薄膜的最佳条件
在制备ZnO薄膜时，控制射频功率和氧气流量对ZnO薄膜品质有着重要的影响。图1展示了射频功率和氧气流量对ZnO薄膜形态和厚度的影响。从图1(a,b,c,d)中可以看出，随着射频功率的增加和氧气流量的降低，ZnO薄膜的表面质量和晶体结构都得到了改善。在射频功率为300W，氧气流量为2SCCM时，所制备的ZnO薄膜表现出最佳的晶体结构和表面质量。进一步地，当样品转速为20rpm，沉积时间为30min时，所制备的ZnO薄膜晶体结构和表面质量更佳，同时其厚度也可以得到控制（图1(e,f)）。
图1：射频功率与氧气流量对ZnO薄膜形态和厚度的影响。
3.2ZnO薄膜在光伏电池中的应用
了解ZnO薄膜的光电转换性能对于其在光伏电池中的应用至关重要。太阳能模拟器测试结果表明，所制备的ZnO薄膜具有良好的光电转换性能。图2展示了ZnO薄膜在不同波长下的透射光谱。在可见光透射范围内，ZnO薄膜的透射率可以高达96%以上。此外，在紫外光区间，其光吸收性能也非常好。用不同波长的拉曼光谱对样品进行表征，说明了其晶体结构的优良性。
图2：所制备的ZnO薄膜在不同波长下的透射光谱。
3.3ZnO薄膜在发光二极管中的应用
ZnO薄膜也被广泛用于发光二极管中。通过分析其发光性能，对其在发光二极管中的应用潜力进行了评估。图3展示了不同厚度的ZnO薄膜发光情况。在电压为20V的情况下，所制备的ZnO薄膜出现了较强的绿色发光，证明其在发光二极管中的应用潜力巨大。
图3：不同厚度的ZnO薄膜在不同电压下的发光效果。
四、结论
本文采用射频磁控溅射技术制备了不同厚度的ZnO薄膜，并研究了其在光电子器件中的应用。通过优化制备条件，找到了制备高质量ZnO薄膜的最佳参数。进一步地，测试发现所制备的ZnO薄膜在光伏电池和发光二极管中有广泛的应用前景，具有良好的光电转换性能和发光性能。这为ZnO薄膜的广泛应用提供了新的思路和参考。