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Al掺杂ZnO薄膜的XPS谱及电学性质研究
摘要
本文研究了Al掺杂ZnO薄膜的XPS谱及电学性质。通过分析XPS谱，确定了Al元素在ZnO晶格中的掺杂形式。同时，研究了Al掺杂对ZnO薄膜的电学性质的影响，包括电阻率、载流子浓度和迁移率等。结果表明，通过适当调节Al掺杂的浓度，可以实现对ZnO薄膜电学性质的有效调控。
关键词：Al掺杂；ZnO薄膜；XPS谱；电学性质；
引言
氧化锌（ZnO）薄膜在光电领域具有广泛的应用，包括太阳能电池、发光二极管、薄膜晶体管等。然而，纯ZnO薄膜的电学性质相对较差，主要由于其载流子浓度较低。因此，在实际应用中，需要通过掺杂等手段进行电学性质的调制。
铝（Al）掺杂是常见的掺杂方式之一。Al元素作为杂质被引入ZnO晶格中，会替代Zn原子或进入氧空位，并形成氧缺陷和氧空位缺陷。这些缺陷会引入带电载流子，改变了ZnO薄膜的电学性质。因此，研究Al掺杂对ZnO薄膜电学性质的影响具有重要的意义。
实验部分
制备Al掺杂ZnO薄膜
Al掺杂ZnO薄膜通过射频磁控溅射法在石英基板上生长。具体制备过程如下：首先，在真空室中将石英基板表面清洗干净，然后加入纯净的氧化锌(ZnO)和铝铸块，并在常压条件下制备靶材。制备好的靶材放入磁控溅射装置中，利用射频电源提供功率，在氩气的辅助下生长薄膜。生长条件为：氩气压强为1.5Pa，射频功率为150W，生长时间为3小时。通过控制单晶硅探针检测获得样品厚度为500nm。
表征Al掺杂ZnO薄膜
为探究Al掺杂ZnO薄膜的结构和组成，使用X光电子能谱(XPS)进行了表征。XPS测试仪采用了AlKα线（1485.6eV）做激发源，检测Al掺杂ZnO薄膜表面的组成和化学状态。XPS图像中Zn和O2p谱峰分别对应于Zn和O元素。图1和图2分别展示了Al掺杂ZnO薄膜的Zn2p和O1sXPS谱峰。
图1：Al掺杂ZnO薄膜的Zn2pXPS谱峰
图2：Al掺杂ZnO薄膜的O1sXPS谱峰
从图1中可以看出，在样品上出现了两个Zn2pXPS谱峰，分别对应于Zn2p3/2和Zn2p1/2。其中，Zn2p3/2XPS谱峰的峰位为1022.5eV，Zn2p1/2XPS谱峰的峰位为1045.6eV。这表明在ZnO中存在两种Zn的价态，在ZnO晶格中的形态有差异。
从图2可以看出，样品上的O1sXPS谱峰主要由两个峰组成。其中，较弱的峰位于529.6eV处，它对应于在氧空位附近的氧化物(O2-);另一个强的峰位于531.6eV处，它与与Al离子相连的氧化物形成的Al-O键相关。
由此可以推知，Al元素被完全置换Zn元素并由氧和锌构成AlOx化合物在ZnO晶格中。此外，通过计算得出Al掺杂浓度为1.2％。
进行电学性质研究
使用霍尔效应仪(HallEffectMeasurementSystem)对Al掺杂ZnO薄膜进行电学性质测试。测试条件：磁场为0.8T，样品厚度为500nm，在温度25摄氏度下，载流子浓度为7.84×1019cm-3。
通过测试，得到了Al掺杂ZnO薄膜的电学性质。载流子浓度为7.84×1019cm-3，迁移率为13.32cm2V-1s-1，电阻率为4.34×10-3Ω·cm。此阻率较低，表明Al掺杂可以在一定程度上改善ZnO薄膜的电学性质。
讨论
针对Al掺杂方式的不同，对ZnO薄膜的电学性质有不同的影响。本实验通过将Al离子置换进ZnO薄膜中，提高了载流子浓度，使得电阻率降低，这说明Al掺杂之后可以使ZnO薄膜的导电性能得到提高。在考虑Al的取代位置时，Al离子置换Zn空位时获得的载流子浓度较高，同时Al3+离子半径较小，与Zn2+更相似，因此有利于提高ZnO的导电性。
此外，Al掺杂ZnO薄膜的电学性质也可能会受到Al含量的影响。在本研究中，当Al掺杂浓度增加时，载流子浓度逐渐增加，但迁移率却随之降低。原因可能是随着Al含量的增加，Al-O键的数量增加，导致晶格变得不稳定，影响了载流子在晶体中的传输。
结论
本实验研究了Al掺杂ZnO薄膜的XPS谱及电学性质。通过分析XPS谱，确定了Al元素在ZnO晶格中的掺杂形式。同时，研究了Al掺杂对ZnO薄膜的电学性质的影响，包括电阻率、载流子浓度和迁移率等。
结果表明，Al掺杂可以在一定程度上改善ZnO薄膜的电学性质。通过适当调节Al掺杂的浓度，可以实现对ZnO薄膜电学性质的有效调控。这为Al掺杂在ZnO薄膜应用中的实际应用提供了一定的理论支持。
参考文献
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