熱蒸發(fā)制備Zn/ZnO薄膜的實(shí)驗(yàn)研究

曾永平 陶淑芬 徐利兵 楊紅磊

（曲靖師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 云南 曲靖 655011）

熱蒸發(fā)制備Zn/ZnO薄膜的實(shí)驗(yàn)研究

曾永平 陶淑芬 徐利兵 楊紅磊

（曲靖師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 云南 曲靖 655011）

本文采用低真空熱蒸發(fā)技術(shù)，以鋅作為蒸發(fā)源，通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)時(shí)間，蒸發(fā)溫度，真空度等工藝參數(shù)，在玻璃基底上獲得薄膜樣品，再對(duì)薄膜進(jìn)行退火處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用低真空蒸發(fā)鍍膜法可以制備得到取向很好的Zn（002）單晶薄膜，薄膜樣品在450℃真空條件下做退火處理后，進(jìn)一步提高金屬鋅膜薄膜單晶性；樣品經(jīng)300℃大氣下退火處理后，可得取向（101）的強(qiáng)織構(gòu)ZnO結(jié)構(gòu)。

熱蒸發(fā)鍍膜法；ZnO薄膜；退火處理；晶體結(jié)構(gòu)

0 引言

ZnO是一種合適的用于室溫或高溫下的紫外光發(fā)射材料，是一種具有很大潛力和應(yīng)用價(jià)值的紫外半導(dǎo)體光電器件材料[2]。ZnO室溫禁帶寬度為3.37eV，發(fā)射波長相應(yīng)于近紫外368 nm。ZnO和GaN具有相同的晶體結(jié)構(gòu)、相近的晶格常數(shù)和禁帶寬度，而且具有更高的熔點(diǎn)（1975℃），高熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。ZnO薄膜可以在低于500℃的生長溫度下獲得，比 GaN等其他材料的制備溫度低很多，而且 ZnO原材料資源豐富、價(jià)格低廉，無毒無污染，是一種經(jīng)濟(jì)的綠色環(huán)保型材料[1]。

ZnO作為近年來發(fā)展起來的近紫外發(fā)光材料，目前已成為熱門的研究課題。研究發(fā)現(xiàn)，其顯著優(yōu)點(diǎn)是在紫外波段存在著受激發(fā)射特性，由于天然存在著缺陷其在可見光區(qū)域也存在著受激發(fā)射特性，例如黃綠光發(fā)射。在研究ZnO發(fā)光的過程中人們發(fā)現(xiàn)ZnO還可發(fā)射紅光、橙光、黃光和紫光。氧化鋅材料另一個(gè)顯著特性是在0.4-2微米波長范圍內(nèi)是透明的，可見光透射率高達(dá)90%，具有壓電光電效應(yīng)，因而提供了將電學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)器件，如光源、探測器、調(diào)制器、光波導(dǎo)、濾波器及相關(guān)電路等單片集成的可能性。

另一方面，真空鍍膜實(shí)驗(yàn)是大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。傳統(tǒng)以及現(xiàn)代技術(shù)上，一些光學(xué)零件的光學(xué)表面需要用物理或化學(xué)方法鍍上一層或多層薄膜，使得光線經(jīng)過該表面的反射或透射特性發(fā)生變化，機(jī)械加工所采用的刀具以及零部件的表面處理都與鍍膜技術(shù)密切相關(guān)。圍繞學(xué)生的綜合能力、初步設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)目標(biāo)，開展膜制備的綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究，在保證教學(xué)基本要求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)與課程設(shè)計(jì)、課外科技活動(dòng)、綜合訓(xùn)練相結(jié)合，本工作作為結(jié)合大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要采用熱蒸鍍的方法結(jié)合簡單的熱處理技術(shù)制備Zn-ZnO薄膜材料.獲得了一些值得注意的成果。

1 Zn-ZnO薄膜的制備及熱處理

本實(shí)驗(yàn)采用海康創(chuàng)業(yè)（北京）科技有限公司生產(chǎn)的FZJ-Z350A型多功能鍍膜機(jī)真空鍍膜機(jī)進(jìn)行薄膜的制備、熱處理采用合肥科晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GSL-1500X型真空管式退火爐、純度達(dá)99.9%的金屬鋅片及玻璃基片由昆明化玻有限公司提供。

1.1 熱蒸發(fā)鍍膜

由于真空蒸發(fā)法或真空蒸鍍法主要物理過程是通過加熱蒸發(fā)材料而產(chǎn)生,所以又稱熱蒸發(fā)法[9]。

電流加熱使材料蒸發(fā)成為原子或分子，它們隨即以較大的自由程作直線運(yùn)動(dòng)，碰撞基片表面而凝結(jié)，形成一層薄膜.在真空鍍膜中，飛抵基片的氣化原子或分子，除一部分被反射表面上.被吸附的原子或分子在基片表面上進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，一部分在運(yùn)動(dòng)中因相互碰撞而結(jié)聚成團(tuán)，另一部分經(jīng)過一段時(shí)間的滯留后，被蒸發(fā)而離開基片表面.聚團(tuán)可能會(huì)與表面擴(kuò)散原子或分子發(fā)生碰撞時(shí)捕獲原子或分子而增大，也可能因單個(gè)原子或分子脫離而變小.當(dāng)聚團(tuán)增大到一定程度時(shí)，便會(huì)形成穩(wěn)定的核，核再捕獲到飛抵的原子或分子，或在基片表面進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的原子或分子就會(huì)生長.在生長過程中核與核合成而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)被填實(shí)即生成連續(xù)的薄膜.顯然，真空度的大小、基片的表面條件（例如清潔度和不完整性）、基片的溫度以及薄膜的沉積速率都將影響薄膜的質(zhì)量.此方法易操作且成本低廉，適合用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

如圖1所示，鋅粒在坩堝上被加熱后以粒子狀向四周飛濺，而位于正上方的基底下側(cè)就會(huì)有粒子在上面形成團(tuán)，隨著粒子團(tuán)越來越大，就會(huì)在基底上形成一層薄膜。而粒子在飛到基底的過程中，有的鋅原子與氧原子結(jié)合形成氧化鋅，這樣在基底上形成的膜就由鋅和氧化鋅混合組成。

為了研究真空度、加熱時(shí)間、、加熱電流、對(duì)于薄膜性能的影響。實(shí)驗(yàn)中分別選用真空度分別選用10Pa、5 Pa、1 Pa；加熱時(shí)間分別選用60s、30s、15s；加熱電流分別選用45A、55 A、65 A、75 A；依次組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 蒸發(fā)鍍膜實(shí)驗(yàn)示意圖

1.2 退火處理

為了研究在退火環(huán)境和溫度對(duì)于薄膜性能的影響，在退火中選用真空環(huán)境和大氣環(huán)境；將同一塊樣品進(jìn)行分割成小塊，進(jìn)行不同條件下的退火處理,退火溫度為200℃、300、400;依次組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 樣品的檢測分析及簡要討論

抽取部分實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行X射線衍射分析。X射線衍射（XRD）分析在TD-3500 X射線衍射儀上進(jìn)行，測試條件為Cu靶,10kV，步進(jìn)0.02°,1°/min,θ～2θ聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)探測范圍：15°～80°;計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)處理;廣角測量儀,閃爍記數(shù)器。圖2至圖4的XRD圖譜分析比較了10Pa低真空條件下熱蒸發(fā)60s制備的樣品以及在大氣下300℃退火處理和在真空下450℃退火處理的樣品結(jié)構(gòu)情況。

圖2 熱蒸發(fā)鍍制薄膜原始#樣品的XRD圖譜

圖3 樣品在大氣氛圍3000C條件下退火處理

圖4 樣品在真空下4500C退火處理的XRD圖譜

如圖2，低真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備得到主要取向?yàn)椋?02）的強(qiáng)織構(gòu)Zn多晶薄膜，薄膜的其他取向（100）、（101）以及（211）衍射峰較主峰要弱很多（相對(duì)強(qiáng)度僅為千分之幾）。對(duì)薄膜樣品在450℃真空條件下做退火處理，與圖5.1比較可知，Zn（110），（101）及（211）取向結(jié)構(gòu)都已經(jīng)消失了，只有Zn（002）取向的單晶結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象。

樣品經(jīng)300℃大氣下退火處理后，得到了Zn-ZnO混合結(jié)構(gòu)，除了Zn（002）成分外，還生成ZnO（002）、ZnO（101）、ZnO（213）三個(gè)方向的氧化鋅多晶結(jié)構(gòu)，其中以ZnO（101）的含量為最高。說明大氣氛圍下的退火處理可以獲得擇優(yōu)取向生長氧化鋅ZnO（101）多晶結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

3.1 即使在亞真空情況下的熱蒸鍍?nèi)钥色@純度較高的Zn多晶薄膜；

3.2 在實(shí)驗(yàn)條件下獲得的Zn膜是一種具（002）取向的強(qiáng)織構(gòu)特征；

3.3 真空情況下Zn膜的在450℃熱處理會(huì)在織構(gòu)方向上實(shí)現(xiàn)取向的純化；

3.4 樣品經(jīng)300℃大氣下退火處理后，可得取向（101）的強(qiáng)織構(gòu)ZnO結(jié)構(gòu)。

［1］鄧?yán)诶?ZnO薄膜的制備及其特性研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2007.

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陶淑芬，副教授，主要研究方向?yàn)榻锢韺?shí)驗(yàn)和低維材料制備。

曲靖師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目立項(xiàng)資助200905。

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