基于MOCVD法制備的NiO薄膜結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性

趙 洋 ,趙 龍 ,王 輝, ,湯正新 ,王 瑾 ,史志峰

(1.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130023;2.河南科技大學(xué)物理與工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

近年來,光電薄膜材料特別是透明導(dǎo)電氧化物薄膜,例如氧化銦、氧化錫、氧化鋅等在透明電極和窗口涂層材料等實(shí)際應(yīng)用中都被廣泛的使用。由于這些材料絕大多數(shù)都是 n型半導(dǎo)體材料,應(yīng)用其制備半導(dǎo)體光電器件時(shí)需要性能優(yōu)良的 p型半導(dǎo)體材料與之結(jié)合,因而尋找性能優(yōu)良的 p型半導(dǎo)體材料是這個(gè)領(lǐng)域的科研工作者所迫切需要的。NiO作為過渡金屬氧化物,具有3d電子結(jié)構(gòu),室溫下的禁帶寬度為3.64.0 eV[1-2],是典型的天然p型導(dǎo)電薄膜材料。由于NiO電子結(jié)構(gòu)的特殊性,表現(xiàn)出一系列特殊的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì),尤其在 p型透明導(dǎo)電、電致變色、氣體檢測、紫外探測器等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。當(dāng)前許多技術(shù)和方法用于制備 NiO薄膜,而眾多的制備方法中,金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)以其穩(wěn)定性、低工作溫度、低成本等優(yōu)點(diǎn)常被用作制備半導(dǎo)體薄膜材料[6-9]。目前采用MOCVD方法制備NiO薄膜的報(bào)道較少。本文采用自行設(shè)計(jì)的雙鹵鎢燈MOCVD設(shè)備制備了NiO薄膜,對其表面結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行了測試,并對得到的結(jié)果進(jìn)行了分析和研究。

1 實(shí)驗(yàn)

NiO薄膜的生長設(shè)備采用自行設(shè)計(jì)的雙鹵鎢燈MOCVD設(shè)備,所用的有機(jī)源為甲基二茂鎳,氧氣作為主氣,氬氣作為有機(jī)源的載氣,Si作為襯底。反應(yīng)室加熱是通過原有加熱絲的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)鹵鎢燈燈管進(jìn)行的,源溫設(shè)定為 50℃。樣品在加熱絲設(shè)定在 550℃條件下預(yù)生長 10m in,然后在鹵鎢燈加80 V電壓的情況下生長30min制備而成。

對于生長的薄膜通過Specs XR50型X光電子能譜、JSM-6700F型掃描電子顯微鏡、BRUKER D8 DISCOVERGADDS型X射線衍射儀以及SHIMADZU UV-360型紫外分光光度計(jì)對樣品的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行了測試和表征。

2 結(jié)果與討論

圖1為NiO薄膜的掃描電子顯微鏡圖像,放大倍數(shù)為 5萬倍,由圖1可以看到出:樣品的表面晶粒尺寸大約 100 nm,薄膜較致密,樣品表面出現(xiàn)一定取向的晶粒,但沒有明顯的擇優(yōu)取向,薄膜呈現(xiàn)出多晶態(tài)。

圖2、圖3為NiO薄膜的X光電子能譜圖,其中,圖2為NiO薄膜的Ni_2p光電子能譜圖,圖3為O_1s光電子能譜圖。從圖2和圖3中可知:Ni以二價(jià)態(tài)存在,且Ni和O的比例接近1∶1,沒有三價(jià)的Ni以及 Ni單質(zhì)出現(xiàn),說明制備的薄膜為NiO薄膜。

圖4為NiO薄膜的X射線衍射圖,衍射峰對應(yīng)的2θ值分別為 37.76°、43.74°、63.34°,經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照,可以知道此衍射峰對應(yīng)NiO薄膜的(111)、(200)、(220)衍射峰。衍射峰的強(qiáng)度相差不大,顯示了樣品并無明顯的擇優(yōu)取向性。這與掃描電鏡的結(jié)果是一致的。

圖1 NiO薄膜的掃描電鏡圖像

圖2 N iO薄膜的Ni_2p光電子能譜圖

圖3 NiO薄膜的O_1s光電子能譜圖

圖5為樣品的紫外-可見透射光譜,能夠看到整個(gè)波段樣品的透射率較高,樣品的平均透射率約80%,在 400 nm附近達(dá)到最高,約 96%;另外,樣品的吸收邊較窄,認(rèn)為這可能是因?yàn)椴捎秒p鹵鎢燈加熱致使生長溫度較高,所以樣品的結(jié)晶質(zhì)量較好,從而導(dǎo)致吸收邊很窄和透射率較高。

對圖5進(jìn)行線性擬合,可以得到圖6,采用線性外推法可以得到樣品的禁帶寬度在 3.7 eV左右,這個(gè)結(jié)果與以往有關(guān)氧化鎳的禁帶寬度的報(bào)道是相符合的[10]。

圖4 NiO薄膜的X射線衍射圖

圖5 NiO薄膜的紫外-可見透射光譜

圖6 NiO薄膜的(αhv)2-hv曲線

3 結(jié)論

采用自行設(shè)計(jì)的雙鹵鎢燈MOCVD設(shè)備制備了NiO薄膜,通過X光電子能譜、電子顯微鏡、X射線衍射以及紫外-可見光分光光度計(jì)對樣品的表面結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行了測試。樣品無明顯的擇優(yōu)取向性,呈現(xiàn)多晶態(tài),通過線性外推法作圖得到 NiO薄膜的禁帶寬度大約在3.7 eV左右,對于整個(gè)波段都具有較高的透過率,在400 nm附近最高透過率達(dá)到96%。

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