固溶体半导体Zn1-xMgxS薄膜性质研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)暨南大学物理系 作者:朱汉明

  近年来,宽禁带半导体发光材料引起了人们的极大兴趣,因为这些材料在蓝光及紫外光发光二极管、激光器和紫外光探测器等光电领域有重要的应用价值。ZnS是Ⅱ- Ⅵ族半导体中禁带宽度最大的直接带隙材料,有着广泛的用途。为了探索其在短波领域更好的发展性,提高其紫外透过率和增大带隙,人们试着在其中掺入Mg,以形成固溶体半导体。三元固溶体Zn1-xMgxS 具有比ZnS更大的禁带宽度,是一种很有前途的光电子功能材料,既可以作为ZnS材料的势垒层,也可以直接作为发光材料,因此制备Zn1-xMgxS薄膜,研究其性能,特别是其性能如何随Mg含量x 的变化而改变, 有着重要的实际意义。

1 、品制备与表征

1.1、Zn12xMgxS 薄膜的制备

  Zn1-xMgxS 薄膜应用双源真空蒸镀法制备。原料为纯度99.99 %的ZnS 粉末和Mg粉末。在温度分别为1100 ℃~1400 ℃和500 ℃~650℃下, 原料升华,沉积在石英玻璃衬底上。在制膜过程中真空室的真空度优于5.0 ×10-3Pa 。通过调节每个蒸发源的电压、电流来控制蒸发源的温度、各个成分的蒸发量和蒸发速率,以控制Zn1-xMgxS多晶薄膜中的Mg含量x值和薄膜的厚度及均匀性。通过Ambios XP-2 型台阶仪测定,实验中制备的薄膜样品厚度均控制在100nm~200nm 之间。

1.2、实验测试与薄膜表征

  首先采用与扫描电镜相结合的Link-ISI300 型X射线能量色散谱仪( EDS) 测定Zn1-xMgxS薄膜的成分;然后由12kW的D/MAX-RC型X射线衍射仪(辐射波长CuKα1为0.1540598nm) 作薄膜X射线衍射分析;最后用UV-2501PC 型紫外-可见分光光度计测量薄膜的紫外- 可见吸收光谱。

2、结果讨论

2.1、成分分析

  用X射线能量色散谱仪( EDS) 测定Zn1-xMgxS薄膜的成分,得到Mg相对含量x的值,图1为一典型样品的成分分析图。成分中的Si来自石英玻璃中的SiO2,这台仪器只能探测到原子序数大于11 的元素,测不到氧的成分,但是不影响其他成分的相对含量的测量。实验所选取的样品分别为: x = 0、0.1、0.21、0.40、0.73。

Zn1-xMgxS薄膜的成分分析图

图1  Zn1-xMgxS薄膜的成分分析图

2.2、晶格常数a与Mg含量x的关系

  图2 是不同Mg含量x的Zn1-xMgxS薄膜的X射线衍射谱图。所有样品的衍射谱图中只存在一个明显的峰,它对应的是ZnS 的(111) 晶面族的衍射峰, 而没有出现MgS对应的峰,这表明Zn1-xMgxS薄膜仍然保持着ZnS 立方闪锌矿结构,与真空技术网某文章上当0 ≤x < 0.86 时,Zn1-xMgxS薄膜为闪锌矿结构的分析一致。通常真空蒸发制备的多晶薄膜择优取向非常明显,X射线衍射结构分析不能检测到所有的特征峰,在薄膜较薄的情况下经常只出现一个峰。

  根据XRD测定衍射峰的峰位值2θ,由布拉格公式和立方晶系的晶面间距公式:

  其中d 表示晶面间距,λ为X 射线波长,h、k、l为衍射峰位(晶向) 所对应的晶面指数, a为晶格常数,可以计算出不同Mg含量x的样品对应的晶格常数a 值,在选取的样品中Mg含量从x=0增加到x =0.73时, 薄膜晶格常数a 值从0.5402nm减小到0.529298nm。这是由于Mg 的离子半径小于Zn 的子半径,逐渐增多的Mg 2+取代Zn 2+后占据Zn 2+ 的格点位置,引起阴阳离子间距变小,从而使得Zn1-xMgxS薄膜的晶格常数减小。

Zn1-xMgxS薄膜的X射线衍射谱图

图2  Zn1-xMgxS薄膜的X射线衍射谱图

  如图3 所示,薄膜的Mg组分x与其晶格常数a呈线性关系,符合Vegard定律。通过线性拟合,我们得到了Zn1-xMgxS薄膜晶格常数的Vegard 定律实验表达式为:

a(x)=0.53965-0.01415x(nm)

  我们实验中所用的X 射线衍射仪分辨率2θ=0.002°,在实验范围内,可估算出晶格常数的相对误差小于1.12% ,即图3中所示的误差项。从图中可以看出,实验结果具有较高的可靠性。

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