ZnO及其Eu3+掺杂薄膜的制备与性质研究

来源 :曲阜师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:skylong5257
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作为第三代半导体材料之一的氧化锌(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族直接宽带隙半导体,在光电学性质、抗辐照特性及能带结构等方面具有特殊性能,成为继SiC和GaN之后的研究热点。ZnO室温下禁带宽度为3.37eV,具有较高的激子结合能(60meV),远大于室温热离化能(26meV)。在室温下激子复合可以稳定存在,其激射阈值比较低,可以实现室温或更高温度下高效的受激发射。这些优越的光电性质,使它在荧光粉、光催化、平板显示器、场发射器等方面有潜在应用,可用为白光的起始材料。近年来,国内外对ZnO特别是对稀土元素掺杂ZnO的光致发光材料进行了广泛的研究。在ZnO薄膜的光致发光图谱中,观察到的发光峰主要有380nm的近紫外峰和宽的蓝绿发光峰。考虑到稀土Eu3+是一种重要的红光发光中心,将Eu3+掺杂到ZnO基质中,Eu3+红光和ZnO基质的蓝绿光相叠加,有可能实现单层白光发射,从而克服多层膜实现白光发射时导致的晶格适配问题,所以稀土Eu3+掺杂ZnO薄膜成为研究的热点。目前,对ZnO薄膜已进行了广泛的研究,虽然也得到了一些有用的研究成果,但是目前ZnO的结晶质量还尚未达到实用化要求。因此采取有效的方法来提高氧化锌薄膜的质量,已经成为了现代科学研究的一个重要发展趋向。脉冲激光沉积法(PLD)在制备样品的过程中除了可以随时替换靶材料,方便氧化锌的掺杂外,其设备还可以减少空气的污染。大量的研究表明退火可以进一步的减少薄膜的应力,在一定程度上可以提高薄膜的发光强度。现在已经有许多制备薄膜的方法,考虑到各种影响因素,本文决定利用脉冲激光沉积(PLD)系统在Si(111)的衬底上生长了稀土Eu3+掺杂ZnO薄膜。为了得到优质的材料,把两种样品分别在纯氧气氛和真空气氛中退火。通过样品的表征,便可以分析出哪种退火气氛更有利于提高材料质量。实验中选用Li+作为敏化剂共掺杂,是因为Li+可以起到润滑剂的作用,使得稀土离子Eu3+能更有效的掺杂到ZnO基质中。借助X射线衍射仪来探讨沉积薄膜的结晶问题,XRD图谱显示,制备的掺杂薄膜均在着一个尖锐的衍射峰。使用MDI Jade5.0得出ZnO:Eu3+,Li+薄膜的结构参数,结果显示,在纯氧气氛中退火的样品具有较大的晶粒尺寸;可以利用双轴应变模式分析材料内部的应力,计算结果表明在纯氧气氛中退火的样品应力较小。在纯氧气氛中退火的样品的近紫外发射峰要比真空中样品的发射峰要强许多。这说明在纯氧气氛中退火样品,可以更有效、更充分地去除缺陷,优化沉积薄膜的质量。当用395nm光激发样品时,仅发现Eu3+位于595nm附近的跃迁峰,表明退火不利于Eu3+的5D0→7F2电偶极跃迁。
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