磁控溅射法制备ZnO薄膜的研究

磁控溅射法制备ZnO薄膜的研究何五九佳木斯大学材料科学与工程学院黑龙江省佳木斯市154007摘要：采用直流反应磁控溅射的方法，通过改变溅射功率、改变工作压强、改变衬底温度以及退火处理等方法，在玻璃衬底上制备ZnO薄膜，衬底上预先渡有透明的ITO导电薄膜，因此制备的样品可以直接作为阳极荧光屏用于场发射平板显示器。通过X射线衍射法、扫描电镜及原子力显微镜对样品的结构、形貌特性进行了测试，利用场发射、荧光光谱仪对样品的阴极射线发光特性和光致发光进行了测试和分析。研究了ZnO薄膜的结构状况、成分、点缺陷浓度等因素与其发光特性之间的关系，找到制备较好薄膜的实验条件，实验表明，在溅射功率为150W、工作压强为4Pa、衬底温度为250度及进行退火处理的条件下，生成的薄膜颗粒比较大、比较致密、平整度较好，即容易生成结晶质量比较好的薄膜，而高的结晶质量和一致的c轴取向性观察到有好的紫外光及蓝绿光发射，薄膜对光的透过率一般在80%以上，是比较好的透明薄膜。同时，在上述较好的实验条件下，分别以N2、NH3作为掺杂剂，对氧化锌进行p型掺杂，结果发现在用NH3为掺杂剂时，有氮元素的掺入但不稳定。对于稀磁性半导体材料的研究，基于氧化锌的研究比较少，尝试了掺钒氧化锌薄膜的制备，结果表明钒元素成功的被掺入氧化锌薄膜，但其磁性的研究需要进一步探索。关键词：氧化锌、磁控溅射、场发射平板显示、光致发光、掺杂、稀磁性MagnetronsputteringofZnOthinfilmspreparedbytheresearchHEWujiuJiamusiuniversityschoolofmaterialsscienceandengineeringJiamusiinHeiLongjiangprovince.154007Abstract:usingdcreactivemagnetronsputteringmethod,bychangingthesputteringpower,changingthepressureofwork,changethesubstratetemperatureandannealingtreatmentmethods,suchasthepreparationofZnOthinfilmsonglasssubstrate,substrateinadvancecrossingtheITOtransparentconductivefilms,sothepreparationofthesamplecanbedirectlyusedasanodescreeninfieldemissionflatpaneldisplay.ByX-raydiffraction(XRD),scanningelectronmicroscopy(sem)andatomicforcemicroscopestructure,themorphologycharacteristicsofsamplesweretested,usingfieldemissionandfluorescencespectrometercathoderayemittingcharacteristicsofsamplesandlightluminescenceweretestedandanalyzed.StudiedtheconditionofZnOthinfilmstructure,compositionandtheconcentrationofpointdefectsandtheirluminescenceproperties,therelationshipbetweenthepreparationtofindabetterfilmexperimentalconditions,theexperimentalresultsshowthatthesputteringpoweris150w,workpressureis4pa,thesubstratetemperatureis250degreesandannealingprocessingconditions,thegeneratedfilmparticlesislarger,moredense,flatnessisbetter,thatiseasytogeneratethecrystalqualityofagoodfilm,andthecrystallizationofhighqualityandconsistentcaxisorientationisobservedtohavegoodultravioletlightandbluegreenlightemission,filmlighttransmittanceisincommonly80%,isabettertransparentfilm.Atthesametime,inthebetterexperimentalconditions,respectivelywithN2,NH3asdopant,top-typedopedzno,foundthatwhenusingNH3asthedopingagent,nitrogendopedbutnotstable.Fordilutemagneticsemiconductormaterialsresearch,basedontheresearchofzincoxideisless,trythevanadiumdopedZnOthinfilmpreparation,theresultsshowthatthesuccessofvanadiumelementwasdopedznothinfilm,butitsmagneticstudiesneedfurtherexploration.Keywords:zincoxide,magnetronsputtering,fieldemissiondisplay,photoluminescence,doping,dilutemagnetic目录一、引言1.1、显示技术及其发展1.2、平板显示材料的研究及其应用进展1.3、稀磁性半导体材料研究进展二、理论基础2.1、ZnO的性质及应用2.1.1、ZnO的基本性质2.1.2、ZnO的应用2.2、ZnO薄膜的制备及掺杂2.2.1、ZnO薄膜的制备2.2.2、ZnO的掺杂2.2.3、ZnO的稀磁性2.3、ZnO薄膜发光机理的研究2.3.1、光电显示呢材料的分类2.3.2、材料发光的基本原理2.3.3、阴极射线激发材料的发光过程2.3.4、ZnO薄膜发光机理的研究2.4、ZnO薄膜的应用前景三、实验及测试方法3.1、溅射镀膜3.1.1、溅射镀膜的工作原理3.1.2、溅射镀膜的特点3.1.3、溅射镀膜的分类3.2、磁控溅射镀膜3.2.1、磁控溅射的原理3.2.2、磁控溅射的特点3.3、直流反应磁控溅射实验仪器及操作3.3.1、设备的主要技术参数3.3.2、设备的构成3.3.3、仪器的操作规程3.4、测试方法3.4.1、结构分析3.4.2、形貌分析3.4.3、场致发光测试3.4.4、光致发光测试3.4.5、光吸收谱测试四、实验及结果分析4.1、溅射功率对ZnO薄膜的影响4.1.1、溅射功率对ZnO薄膜的结构的影响4.1.2、溅射功率对ZnO薄膜的形貌的影响4.1.3、小结4.2、工作压强对ZnO薄膜结构特性的影响4.2.1、工作压强对ZnO薄膜结构特性的影响4.2.2、工作压强对ZnO薄膜形貌结构的影响4.2.3、工作压强对ZnO薄膜场致发光的影响4.2.4、工作压强对ZnO薄膜的影响光致发光的影响4.2.5、工作压强对ZnO薄膜吸收谱的影响4.2.6、小结4.3、衬底温度对ZnO薄膜的影响4.3.1、衬底温度对ZnO薄膜结构特性的影响4.3.2、衬底温度对ZnO薄膜的形貌结构影响4.3.3、衬底温度对ZnO薄膜场致发光的影响4.3.4、衬底温度对ZnO薄膜光致发光的影响4.3.5、小结4.4、退火处理对ZnO薄膜的影响4.4.1、退火处理对ZnO薄膜结构特性的影响4.4.2、退火处理对ZnO薄膜的形貌结构影响4.4.3、退火处理对ZnO薄膜场致发光的影响4.4.4、退火处理对ZnO薄膜吸收谱的影响4.4.5、小结4.5、ZnO薄膜掺杂4.5.1、N2作为掺杂剂的掺杂4.5.2、NH2作为掺杂剂的掺杂4.5.3、小结4.6、ZnO薄膜的稀磁性研究4.6.1、掺V的ZnO薄膜的制备4.6.2、对掺V的ZnO薄膜的测试分析4.6.3、小结五、结论六、参考文献一、引言1.1、显示技术及其发展知识经济时代就是以知识的生产、传播和应用为社会发展动力的时代，知识传播速度将成为社会和经济发展的关键因素。目前知识的传播手段主要有印刷品、互联网络，互联网络的广泛普及，信息和知识传播实现了实时性，可随时随地的交流。而这些过程的终端设备与人的对话是靠显示器完成的。由于平板式显示器厚度薄、重量轻、电压低、功耗低、无闪烁抖动、环境性能好等优点，多用于工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各方面，成为电子信息工业的一大支柱产业。随着电子、材料等工业的进步，显示技术的发展首先体现在显示器件的发展。电子显示器分为主动发光型利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色并直接显示；非主动发光型本身不发光，而是利用信息来调制外光源从而使其达到显示的目的。阴极射线管显示器、等离子体显示器、场致发射平板显示器、发光二极管显示器等属于主动发光型；液晶显示器、电化学显示器、悬浮颗粒显示器等属于非主动发光型。新型电子显示器要向小型化、轻量化、低压驱动、低功耗和平板型的方向发展。1.2平板显示材料的研究及其应用进展平板显示器的优异性能，使之不仅能够与传统显示器件争夺市场，而且不断开拓处新的应用领域。它的种类很多，常见的有液晶显示器、等离子体显示器、电致发光显示器、发光二极管、有机材料发光和场致射显示器等与阴极射线管相比，具有重量轻、体积小、功耗低等优点。在大屏幕显示、便携式计算机等领域得到广泛应用。但它们的总体显示性能还达不到阴极射线管的水平。1.2.2、场致发射显示冷阴极场致发射显示是一种新型的主动发光型平板显示器件，冷阴极场致发射显示是利用阴极射线发光来显示信息的，如图1-2所示，阴极作为电子源，它所发射的电子撞击阳极上的发光材料形成发光点，多个发光点构成一个像素，通过驱动电路控制这些像素的发光点，可实现高分辨率图像显示。场发射平面显示不但具有阴极射线管的高亮度、大视角和逼真的色彩，而且还具有厚度小、相应速度快、高分辨率、耐高温、具有相对低的工作电压、高亮度、宽视角、好的色彩饱和度和功耗低的优点。这种兼有阴极射线管和平板显示器件优点的自发光型显示器，被认为是最理想的平板显示器之一。图1--2FED结构示意图由于场发射平板显示器件中阳极与阴极之间的空间较小，采用传统涂敷式荧光屏工作时，受电子束轰击，容易产生放气、分解、溅射等过程，污染了场发射阴极，使其发射效率降低，进而缩短其工作寿命。于是，对阳极荧光层进行了最优化研究，即将发光材料制成荧光薄膜不存在漫反射效应、有更高的对比度和清晰度、荧光薄膜散热快、能承受更高的驱动电压，而且亮度更高；另外，致密的荧光薄膜能很好地附着在透明基片上并保证表明光滑，可消除由于电弧击穿而导致的荧光粉颗粒烧伤或脱落现象，具有更小的放气率。荧光薄膜的研究具有广阔的附着前途。但是场致射显示器是工作在低电压、高电流、处于真空环境的特点，因此要满足以下几个要求：（1）、荧光材料应在较低的驱动电压下具有较高的发光效率；（2）、荧光层表面必须具有一定的导电性，以承受较高的电流密度(10--100μA/cm2)；（3）、必须适应真空环境，有较低的放气率，尤其不能释放有害于阴极的气体；（4）、适当的余辉时间。1.2.2、光电显示ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，具有优异的光学和电学特性，具备了发射蓝光或紫外光的优越条件，而且原料易得、价廉、无毒，制备方法多样，成为目前最具开发潜力的薄膜材料之一，有望开发出紫外