溶胶凝胶法制备Cu掺杂ZnO纳米薄膜及其表征

　　采用溶胶-凝胶法制备了不同Cu掺杂浓度的ZnO薄膜,并通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外可见分光光度计和伏安特性测试等研究了Cu掺杂量对薄膜微观结构、表面形貌及光电特性的影响。结果表明:所得Cu掺杂ZnO薄膜为六角纤锌矿多晶结构,有CuO杂质相生成。随Cu掺杂量的增加,薄膜晶粒长大,且样品粒度均匀,平均粒径约53 nm。Cu掺杂ZnO薄膜具有良好的透光性,在可见光范围内的平均透射率超过80%,最大可达90%以上。Cu掺杂浓度为0.001%时,所得ZnO薄膜的导电性明显优于其他掺杂条件下的样品。

　　关键词：溶胶-凝胶法;氧化锌薄膜;Cu掺杂;光电特性

　　Abstract: The Cu-doped ZnO films were deposited in sol-gel method on substrates of Si and indium-tin-oxide(ITO) coated glass.The impacts of the growth conditions,such as the Cu-doping levels,annealing temperature,and film thickness,on the microstructures and properties of the ZnO polycrystalline films were studied.The Cudoped ZnO films were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy,ultraviolet visible(UV-Vis) spectroscopy,and conventional surface probes.The results show that the Cu-doping level strongly affects the hexagonal wurtzite-structured ZnO films,and improves its properties.For example,as the Cu content increased,the ZnO films became more uniform with bigger grains,with an averaged size of 53 nm.The averaged and highest visible transparency of the Cu-doped ZnO films grown under optimized conditions were found to be 80% and 90%,respectively.The ZnO film doped with 0.001% of Cu displays the highest conductivity.

　　Keywords: Sol-gel method,ZnO thin film,Cu doping,Electrical and optical properties

　　基金项目: 教育部留学回国人员科研启动基金(20091341-4);; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N090403001)

　　ZnO 薄膜是一种新型的族宽禁带半导体材料, 禁带宽度为337 eV, 激子束缚能为60 meV, 常见的多晶ZnO 为六角纤锌矿结构。ZnO 具有材料来源丰富、价格低廉、无毒、化学稳定性较高、易实现掺杂等优点, 因此在透明电极、平面显示和太阳能电池等领域得到了广泛应用[1] 。掺杂可有效改进半导体电与光特性。掺杂Al元素制备出了性能良好的ZnO 薄膜和透明电极[2-3] ,Mg掺杂可以改变ZnO薄膜的禁带宽度, 提高光学性能[4] , 掺杂Co, Ni, Mn 等可以制备磁性材料[5-7], Pd 或Ag掺杂ZnO纳米粒子的光催化活性大幅度提高[8] 。通常Cu作为一种发光催化剂和n 型材料的补偿剂, 对于族化合物半导体来说其作用相当重要。Cu 掺杂ZnO 已经被用于荧光材料、变阻器中的活性材料和表面声波装置[9-11] 。Cu1+ 半径( 060) 、Cu2+ 半径与Zn2+ 半径( 0060 nm) 相同或接近, 易实现元素的替代。目前利用溶胶-凝胶法制备掺铜氧化锌薄膜的系统研究却少有报道, 本文采用溶胶-凝胶法制备了Cu 掺杂浓度为0~ 1% 的ZnO 薄膜, 研究了掺杂浓度对ZnO 薄膜的晶体结构、表面形貌及光电特性的影响。

　　采用溶胶凝胶法制备了六角纤锌矿结构的Cu掺杂ZnO 多晶薄膜, XRD 特征衍射峰分别对应于(100) , (002) 与(101) 晶面。随Cu 掺杂浓度增加, 薄膜衍射峰强度增加, 结晶性变好, 样品粒度均匀, 晶粒尺寸呈先增大后减小趋势, 平均粒径约53 nm。掺杂导致新物相产生, 在XRD 中未发现CuO 的衍射峰。Cu 掺杂ZnO 薄膜具有良好的透光性, 可见光范围内的平均透射率超过85%, 最大可达90% 以上。Cu 掺杂浓度0􀀁001% 的ZnO 薄膜在所有样品中具有最佳的导电特性, 这相对于文献报道的其他元素掺杂的ZnO 薄膜尚有明显差距, 下一步可尝试如Ag-Li 和Cu-Li 共掺杂ZnO 薄膜。

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