多孔ZnO 薄膜结构与光学性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉理工大学材料科学与工程学院 作者:付志伟

  采用sol- gel 提拉法,以聚乙二醇(PEG2000)为模板剂,醋酸锌为前驱体,乙醇为溶剂,二乙醇胺为络合剂,在玻璃基片上生长了多孔ZnO 薄膜,利用SEM和紫外分光光度计分析了多孔ZnO 薄膜的表面形貌和光学性质。研究了涂膜层数,模板剂加入量对多孔ZnO 薄膜结构和透射率的影响。实验结果表明:随着涂膜层数的增加,薄膜的透射率有减小的趋势;当镀膜层数一定时,加入PEG2000 后,有利于ZnO 多孔结构的形成,在一定范围内,孔尺寸随PEG 加入量的增加而增大,薄膜的紫外- 可见光透射率随PEG 加入量的增加而减小。

  氧化锌(ZnO)是一种直接带隙、宽禁带(Eg 约3.37 eV) 的Ⅱ- Ⅵ族化合物半导体材料,室温下激子结合能达60 meV,在压电换能器、透明导电材料、光波导和气敏、湿敏传感器等方面有广泛的应用[1~3] ,并且产业化前景看好。特别是自1997 年人们观察到ZnO 薄膜的紫外受激发射后[4~5] ,很快成为继GaN 之后新的短波长半导体材料的研究热点。多孔材料具有大比表面积、高孔隙率、高的透过性、可组装性、高吸附性等诸多性能,多孔ZnO 薄膜在半导体光电材料、纳米能源材料、催化材料和染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极材料等领域都有应用。作为染料敏化纳米晶太阳能电池的光阳极材料,要求ZnO 薄膜是多孔的且具有较高的比表面积,这样可吸附较多的染料,提高电池的光电转换效率[6] 。多孔ZnO 薄膜制备技术主要有:射频溅射法[7]离子束溅射沉积法[8]化学气相沉积法[9]脉冲激光沉积法[10]溶胶- 凝胶法[11] 等。

  溶胶- 凝胶技术是一种材料制备的湿化学合成方法,它不需要复杂昂贵的设备,工艺简单,特别是化学计量比容易控制,易于改性掺杂,能从分子水平上设计制备材料,在制备氧化物薄膜和纳米材料粉体等方面具有广泛应用。目前对ZnO 薄膜的研究主要集中于纯ZnO 薄膜和掺杂薄膜的光电性能,而专门研究多孔ZnO 薄膜的光学性能及实验条件对其结构和光学性能影响的论文不多。本文采用溶胶- 凝胶法在玻璃基片上制得了高质量的多孔ZnO 薄膜,研究了不同实验条件对薄膜样品透射率的影响,得到了一些具有应用价值的信息。

1、实验部分

  用电子天平准确称取一定量的Zn(CH3COO)2·2H2O,将其溶解在50 ml 的无水乙醇中,然后放在磁力搅拌器上加热搅拌(温度为50℃),待溶液呈乳状后,用量筒准确量取一定量的二乙醇胺,逐滴加入到溶液中(30 s 内完成),使x[Zn(CH3COO)2·2H2O]:y[NH(CH2CH2OH)2]比为1:2 (摩尔比,下同),再用移液管准确量取一定量的去离子水,加入到溶液中,使x[Zn (CH3COO)2·2H2O] :y[H2O]比为1:1,继续搅拌。待溶液完全澄清后,再加入一定量的模板剂PEG2000,搅拌2h,最后得Zn+ 浓度为0.6 mol/L 的透明、稳定的无色溶胶备用。将玻璃基片(5×25×1 mm3)放在铬酸里浸泡24 h,用去离子水冲洗干净后在丙酮和无水乙醇里各超声清洗30 min,最后用去离子水冲洗后干燥备用。

  用提拉机采用浸渍- 提拉法涂覆薄膜。将配置好的溶胶密封,在一定温度和湿度环境下陈化20~24 h 后,再置于70℃水浴下放置1 h。将清洗干净的玻璃片竖直、匀速浸入配制好的溶胶中,静置60 s 后,以6 cm/min 的速度垂直、匀速向上提拉基片,涂覆一层后,在100 ℃烘箱中干燥5~10 min 后,重复上述操作以制备多层薄膜。涂覆完最后一层膜后,再在100℃下干燥30 min,然后将基片置于箱式电阻炉中,以一定的热处理制度对试样进行后处理,再随炉冷却至室温,即得到多孔ZnO 薄膜,其中升温速度小于3℃/min,在300℃附近保温15 min 左右,再继续升温到500℃处理1 h。

  用JEOL- 6700F 型场发射扫描电子显微镜观测薄膜的形貌,用UV755B 紫外- 可见光分光光度计测试薄膜的光学透射谱。

3、结论

  以聚乙二醇( PEG2000) 为模板剂,醋酸锌为前驱体,乙醇为溶剂,二乙醇胺为络合,采用sol- gel 提拉法,在玻璃基片上生长了多孔ZnO 薄膜。不同的实验工艺对其性能的影响如下:

  (1) 在溶胶浓度为0.6 mol/L,模板剂的加入量为0.6 g 时,一次提拉涂膜的厚度约为50~60 nm,涂膜层数越多,薄膜越厚,透射率有下降的趋势,但下降程度不大;在膜层大于7 层后,薄膜的透射率变化不明显,峰值透射率都在89%附近,且变化很小。

  (2) 在其它镀膜条件不变时, 薄膜的透射率随着PEG2000 加入量的增加而减小。加入PEG2000 后, 有利于多孔ZnO 结构的形成,孔径的大小在50~250 nm 之间,当PEG2000 的加入量为0 . 6 g 时, 薄膜形成的孔结构最好,孔规则,呈圆形,大小均一,孔径大小为120 nm左右。

参考文献

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