稀土離子摻雜ZnO薄膜的制備及特性研究.pdf

1、近些年來，薄膜技術(shù)及薄膜材料的應(yīng)用發(fā)展迅速，半導(dǎo)體材料中的納米薄膜材料是新型材料，在各生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ZnO作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管、場效應(yīng)晶體管、室溫紫外激光器、太陽能電池、壓電二極管、氣體傳感器等領(lǐng)域。ZnO的激子束縛能為60meV，室溫下禁帶寬度為3.37eV，有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)。由于存在室溫激子，適合于室溫下的紫外激光發(fā)射，因此可制成激光器件和短波近紫外發(fā)光器件。稀土元素具有特殊的原子殼

2、層結(jié)構(gòu)，三價稀土離子的發(fā)光電子躍遷大多是4f態(tài)之間的躍遷，具有優(yōu)異的磁學(xué)、電學(xué)和光學(xué)特性。在可見光、近紫外光、近紅外光的波段內(nèi)，稀土離子有許多的特征銳譜線，因此常被選作發(fā)光材料的發(fā)光中心。因此，在ZnO薄膜中摻雜稀土離子受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
　　 在本論文的工作中，以Ee3+、yb3+摻雜ZnO燒結(jié)陶瓷為靶材，利用射頻磁控濺射法在石英玻璃和藍(lán)寶石晶體基底上制備Er3+/yb3+共摻的ZnO薄膜，采用多種分析方法研究不同的

3、工藝參數(shù)對樣品結(jié)構(gòu)、成分、光波導(dǎo)等特性的影響。論文的主要內(nèi)容如下:
　　 采用X射線衍射分析了不同基底溫度下制得的薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，結(jié)果表明，沉膜時的基底溫度對薄膜的結(jié)晶特性有重要影響。當(dāng)基底溫度低于200℃時，薄膜出現(xiàn)了(002)和(100)衍射峰，當(dāng)基底溫度高于400℃時，樣品的(100)衍射峰消失，只有(002)和(004)衍射峰。隨著基底溫度的升高，(002)衍射峰的FWHM逐漸減小，沉積的Er3+/yb3摻雜的Zn

4、O薄膜具有高度C軸擇優(yōu)取向。棱鏡耦合法檢測了Er3+/yb3+摻雜的ZnO薄膜的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在633nm波長光波下，測量了樣品TE模和TM模的有效折射率，發(fā)現(xiàn)不同基底溫度下制備的薄膜的折射率均小于ZnO塊狀晶體的折射率，增加基底溫度，有利于改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量及表面粗糙度，改變薄膜的折射率。應(yīng)用盧瑟福背散射(RBS)技術(shù)檢測了樣品所含的元素成分，測量出薄膜的厚度，與應(yīng)用棱鏡耦合法測出的薄膜的厚度只相差1.1％。用980nm激光束照射樣品表

5、面發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的微弱綠光。
　　 采用X射線衍射分析了不同氧氬比條件下制得的薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，結(jié)果表明:氧氬比對薄膜的結(jié)構(gòu)和光波導(dǎo)特性有重要影響，所有樣品均出現(xiàn)了(002)和(004)衍射峰，薄膜具有高度的C軸方向擇優(yōu)取向。隨著樣品制備的氧分壓的增大，衍射峰的強(qiáng)度減小，薄膜的半高寬增大，在氧氬比為2∶16時其衍射峰的強(qiáng)度較大，半高寬(FWHM)相對較窄。棱鏡耦合法檢測了Er3+/yb3+摻雜的ZnO薄膜的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在63

6、3nm波長光波下，測量了樣品TE模和TM模的有效折射率，發(fā)現(xiàn)所有的樣品均形成了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，氧氬比為2∶16的條件下制備的薄膜有效折射率較接近于純氧化鋅晶體材料的有效折射率。降低氧氬比有利于增強(qiáng)鉺鐿摻雜的氧化鋅薄膜的C軸擇優(yōu)取向，提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。
　　 通過X射線衍射測試薄膜結(jié)構(gòu)，以藍(lán)寶石晶體(Al2O3)為基底制備的薄膜的(002)和(004)衍射峰的強(qiáng)度較高，半高寬(FWHM)比較小，晶粒尺寸大，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較好，薄膜具