掺钼氧化锌薄膜的发光特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)安徽大学物理与材料科学学院 作者:石市委

  使用磁控溅射法在石英基底上制备钼掺杂氧化锌薄膜。扫描电镜结果表明薄膜由晶粒大小为40~ 80 nm 范围内的颗粒组成, 薄膜具有六方纤锌矿型结构且沿c 轴择优取向生长。在可见光范围( 400~ 760 nm) 内所有薄膜的平均光透射率超过90%。退火薄膜的光致发光( PL) 光谱表明, 退火处理对发光峰的位置有很大影响, 随着退火温度的增加, 发光峰位置从380 nm 红移至400 nm 或从470 nm 红移至525 nm。此外, 钼掺杂对退火薄膜PL 光谱的强度影响很大。我们认为, 薄膜中缺陷浓度的变化是导致发光峰红移的主要原因, 讨论了PL 谱中不同的可见光的发光机制。

  作为具有纤锌矿结构的N 型半导体材料代表,在室温下, 氧化锌的禁带宽度约为3.37 eV 和具有较大的激子结合能为60 meV, 其纳米结构的发光特性及其在短波光电器件领域的应用已引起人们高度关注。氧化锌作为发光材料已有近一个世纪的历史, 其大于3.2 eV 的紫外发光是人们已经熟知的, 但对于带间的可见荧光的发光机制尚没有定论。通常氧空位、锌空位、氧错位、杂质离子都可形成可见光发射的复合中心, 从而可观察到紫光、蓝光、绿光, 黄橙光发射。然而这些可见光发射与各复合中心的关系目前仍存在较大争议。

  在氧化锌晶体中, 以替位形式掺入的高价的钼离子相较于低价的掺杂原子( 如铝原子等) , 将更强烈地影响周围原子的电子分布, 并导致晶格的变化,从而可能在氧化锌的禁带中引入未知的能级, 影响氧化锌的发光性能。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这需要在实验上对钼掺杂氧化锌薄膜的发光性能进行测试表征, 从而揭示钼掺杂对氧化锌发光性能的影响。本文在室温下通过磁控溅射技术在石英衬底上制备不同钼含量掺杂氧化锌薄膜。分析钼掺杂对ZnO 薄膜的微观结构和光学性能的影响, 并对退火ZnO 薄膜的光致发光谱( PL)进行了详细的讨论。

  在室温下采用射频磁控溅射在石英衬底上制备了钼掺杂氧化锌薄膜。首先, 将ZnO( 纯度99.99% )和MoO3 ( 纯度99.99%) 粉末以五种不同的配比混合、烧结制备成不同Mo 组分掺杂的ZnO 靶材, 五个靶中MoO3 的质量分数分别为0% , 1%, 2%, 3% 和4% 。其次, 利用磁控溅射仪制备一系列不同Mo 组分的ZnO 薄膜, 制备条件如下: 本底真空度为8×10-4 Pa, 溅射氩气压为0.7 Pa, 射频溅射能量密度为1.8W/ cm2, 镀膜时间为60 min。最后对所制备薄膜进行一系列表征: 使用压力表面轮廓仪( XP-1, Ambios)进行膜厚度测量; 使用扫描电子显微镜( SEM) 和能量色散X 射线探测器( EDX, Hitachi S-4800) 检测薄膜表面形貌和成分; 使用X 射线衍射( XRD) 仪分析薄膜的微观结构; 使用双光束分光光度计(UV-2550,Shimadzu) 测量薄膜的透射率; 使用荧光光谱仪( H-itachi F-4500) 测定薄膜的PL 谱。

MZO 薄膜的SEM 图

图1 MZO 薄膜的SEM 图

  使用磁控溅射法在石英基底上制备了钼掺杂氧化锌薄膜。SEM 和XRD 结果表明, 薄膜微结构和晶粒尺寸明显受钼掺杂的影响。所有薄膜对光的平均透过率较高。ZnO 薄膜的PL 谱表明, 随着退火温度的增加, 发光峰位置从380 nm 红移至400 nm 或从470 nm 红移至525 nm。钼掺杂显著影响PL 谱强度。认为薄膜中缺陷浓度的变化是导致发光峰红移的主要原因。400 和525 nm 两个主发光峰应分别归结为电子从导带到VZn和Oi缺陷的跃迁。

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