太阳能ZnO薄膜材料的制备工艺设计

1、湖南工业大学课 程 设 计资 料 袋 理 学院（系、部） 2010 学年第 下 学期 课程名称 材料科学导论 指导教师 李雪勇 职称 讲师 学生姓名 谷文红 专业班级 应用物理071班 学号 07411200123 题 目 太阳能zno薄膜材料的制备工艺设计 成 绩 起止日期 2010 年 12月 13 日 2010 年 12 月 17日目 录 清 单序号材 料 名 称资料数量备 注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸张456 湖南工业大学课程设计任务书2009 2010 学年第 2 学期 理学院 学院（系、部） 应用物理学 专业 071 班级课程名称： 材料科学导论 设计题目：

2、 太阳能zno薄膜材料的制备工艺设计 完成期限：自 2010 年 12 月 13 日至 2010 年 12 月 17 日共1 周内容及任务任务要求：1、通过文献调查学习该材料制备的一般方法，了解和掌握目前国内外研究该材料的制备工艺，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力； 2、综合运用先修课程的理论及生产实践知识以及文献调查结果，设计材料制备方法，分析和解决制备中的可能问题问题，并使所学知识得到进一步巩固和深化；3、熟悉并能正确选用材料制备及实验检测的设备和仪器。进度安排起止日期工作内容2010-12-13明确课程设计要求，确定自己的设计题目2010-12-14深入分析原理，收集资料20

3、10-12-15应用所学知识，设计各个模块。2010-12-16综合各个模块，分析和总结设计结果。2010-12-17撰写课程设计报告。主要参考资料1 陈哲艮 发展中国阳光发电技术的几点建议1 国家自然科学基金会新“九五”发展计划高级专家会议, 1995.2 徐步衡,薛俊明,赵颖,等. mocvd制备用于薄膜太阳电池的zno 薄膜研究 j . 光电子激光,2005, 16 (5) : 515 - 518.3 汪雷. zno薄膜生长技术的最新研究进展 j .材料导报, 2002, 16 (9) : 33 - 36.4 王光伟; 张建民; 郑宏兴; 杨斐.zno薄膜的制备方法、性质和应用 j .c

4、nki:sun:zkzk.0.2008-05-028.5 张菲; 谌家军; 王秩伟; zno薄膜的研究现状 j .重庆文理学院学报(自然科学版), 2008年 02期.6 朋兴平,杨映虎,宋长安,等. in掺杂zno薄膜的制备及其特性研究 j . 光学学报, 2004, 24 (11) : 1459- 1462.7 汪建军; 刘金霞. 太阳能电池及材料研究和发展现状 j .浙江万里学院学报, 2006年 05期.8 欧阳桂仓; 叶志清; 吴木生; zno薄膜的物理性质与制备方法研究 j .江西科学, 2008年 01期.9 黄焱球; 刘梅冬; 曾亦可; 刘少波; zno薄膜及其性能研究进展 j

5、 .无机材料学报, 2001年 03期.指导教师（签字）： 年 月 日系（教研室）主任（签字）： 年 月 日16（材料科学导论）设计说明书太阳能zno薄膜材料的制备工艺设计起止日期： 2010年 12 月 13日 至 2010 年 12 月 17日学生姓名谷文红班级应用物理学学号07411200123成绩指导教师(签字)理学院太阳能zno薄膜材料的制备工艺设计谷文红 湖南工业大学 应用物理071班 07411200123摘要：为了降低太阳电池的造价, 近年来掀起晶体zno薄膜太阳电池的研究热潮。基于同一个目的, 试图研究设计太阳能zno薄膜材料的制备工艺。本文主要从太阳能zno薄膜材料的应用及

6、性能研究状况和发展趋势，着重介绍该材料的各种制备工艺，并就其中一种工艺进行设计，以研究出更趋完善的制备方法。关键词：太阳能zno;薄膜材料;制备工艺设计1、引言 近年来，由予光电子器件快速发展，尤其是gan研究进程的加快，光电材料成为研究的重点。透明氧化物(transparent conductive oxide简称tco)薄膜具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性，其研究与开发同样得到飞速的发展，现已广泛地应用于太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口层以及光电器件领域。其主要包括in、sb、zn和cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，而以掺锡氧化铟(tindoped indiumox

7、ide简称i，io膜)薄膜为代表透明导电薄膜材料的研究较成熟，应用最为广泛，美日等国也已经投入批量生产。但金属铟价格十分昂贵，相对来说，制备氧化锌薄膜的原材料来源广泛、价格低廉、毒性小。特别用zno制作固体激光器，激发波长有向短波方向发展的趋势，掺铝氧化锌膜(zno：a1)也有同rio膜可比拟的光学电学性质，使zno化合物成为半导体材料中一个新的研究热点，开始逐步应用到众多领域中。2、zno薄膜材料的应用及性能研究状况2.1 zno薄膜材料的应用zno 由于其优良的物理化学性质,使其在许多方面都有广阔的应用前景. 下面主要介绍zno 薄膜在太阳能电池、表面声波器件、气敏压敏元件以及在紫外探测、

8、场发射显示器等方面的应用。2. 1. 1太阳能电池zno薄膜尤其是azo ( zno: a1)膜,具有良好的透明导电性能,可与ito ( in2o3 : sn)膜相媲美. 而且相对ito 膜, azo 膜无毒性,价廉易得,稳定性高,正逐步成为ito薄膜的替代材料.zno薄膜主要是作为透明导电电极和窗口材料用于太阳能电池的生产制备, zno受高能粒子辐射损伤较小, 因此特别适合于太空中使用.r. groenen等人利用扩展热等离子束技术制得zno: a1薄膜( 80% ) ,已应用于si: hp - i - n太阳能电池生产。2. 1. 2表面声波器件zno本征材料是一种具有六角纤锌矿相结构的n

9、型半导体,有较高的机电耦合系数和较低的介电常数,因而被广泛地用于制作表面声波器件( saw). 但是,要达到saw 器件良好的c轴择优取向性、高电阻率,从而有高的声电转换效率以及晶粒细小、表面光滑、晶体缺陷少以减少对saw的散射的要求,还得对zno 薄膜进行进一步的工艺加工处理. 用zno 薄膜制成的saw器件有工作损耗低、传输损耗低、声电转换效率高等优点.j. j. chen等用直流反应磁控溅射法制备的zno薄膜具有良好的c轴择优取向性,其表面非常光滑(表面粗糙度即凹凸差值为7. 8 nm) ,界面清晰,机械性能优良,电阻率高达1. 97 107cm. 实验证明: 用这种薄膜制作的saw 器

10、件频率可达830mhz,而输入损耗仅为20 db。2. 1. 3气敏压敏元件zno薄膜光电导性随表面吸附的气体种类和浓度不同会发生很大变化. 据此特点, zno 薄膜可用来制作表面气敏器件,通过掺入不同元素,可检测不同的气体,其敏感度用该气体环境下电导g与空气中电导g0 的比值g /g0 来表示.h. y. bae、g. l. tan等人用sol ge1分别合成了zno薄膜气敏元件,其对co、h2 和ch4等均有较高的敏感度. 实验表明:配制的前体溶液ph值越小,薄膜对ch4 敏感程度越高. 而掺sn、al形成的zno: sn、zno: a1薄膜可检测乙醇蒸汽,且在675 k下敏感度最高, g

11、 /g0 = 190.另外, zno 薄膜在室温下就能产生较强的紫外受激辐射, 特别是它的激子结合能高达60mev,在目前常用的半导体材料中首屈一指,这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件. 浙江大学已用pld 法在硅衬底上制得性能优良的zno 薄膜,并直接用平面磁控溅射制备了叉指状电极,在波长从340 nm到400 nm的连续光谱光线照射下, zno 光导型紫外探测器有很明显的光响应特性,其截止波长为370 nm。2.2 zno薄膜材料的性能研究状况zno作为一种直接带隙的宽禁带半导体材料,其单晶在室温下禁带宽度约为3. 3 ev,该性质使其在光电器件领域有很大的应用前景. zno材料

12、的激子结合能高达60 mev,其发光波长比gan的蓝光波长还要短,可以进一步提高光存储的密度. zno以其诸多优良的综合性能将成为下一代宽带隙半导体材料,因为生长大尺寸、优质的zno单晶无论对于基础研究还是实际应用都有重要意义.此外, zno薄膜由于具有光电耦合系数大,介电常数小,光透过率高,化学性能稳定等特性,在制造透明导电电极、表面声波器件、传感器、平面板显示器件、太阳能电池等许多领域有着广泛的用途. 例如: zno 薄膜的电阻率高于10- 6 m,在合适的生长、掺杂或退火条件下可形成简单半导体,导电性能得到大幅提升,电阻率可达到1m数量级; zno薄膜在可见光范围内光透过率高达90% ,

13、可以用作优质的太阳电池透明电极,然而它在紫外光谱和红外光谱范围内有强烈的吸收作用,这一性质又可使它被用作相应光谱区的阻挡层. 另外,在透明导电膜的研究方面,掺铝zno 膜(azo)也有同ito 膜可比拟的光电性质. zno还具有熔点高、制备简单、沉积温度低和较低的电子诱生缺陷等性质,以硅为衬底生长的zno薄膜有希望将光电子器件制作与传统的硅平面工艺相兼容。3、氧化锌薄膜的制备与技术zno禁带宽度约为33ev，与gan具有相近的晶格特性和电学特性，都是六角纤锌矿结构，属于宽禁带直接带隙半导体，不同用途的zno薄膜对薄膜的结晶取向、表面平整度、导电性、压电性和光学性能有不同的要求，而薄膜的这些特性

14、是由制备过程的工艺参数决定的。目前，已开发了多种zno薄膜的制备技术，来调控和改善材料的性能。这些技术各有特点，在降低反应温度、提高控制精度、简化制备成本方面做了大量的工作。制备zno薄膜的方法主要有：磁控溅射工艺、脉冲激光沉积、射频溅射法、双离子束溅射沉积法、化学气相沉积法、分子束蒸发沉积、喷雾热分解法以及溶胶一凝胶法等等。31 磁控溅射工艺采用磁控溅射法制备zn0薄膜是研究最为成熟，同时也应用最广泛。此法适用于各种压电、气敏和透明导体用优质zno薄膜的制备。用此法可以在非晶衬底上可得到高度c轴取向的zno薄膜，透光率高达99，还通过改进生长工艺参数、退火或掺杂，调整zno薄膜的电阻率。由于

15、溅射法具有沉积速率高、适于大面积薄膜制备，与ic平面器件工艺有良好的兼容性的优点，目前仍是制备最佳的优质zno薄膜常用方法。为了进一步提高zno薄膜的质量，现已开发双离子束溅射沉积工艺，引人了主辅两个离子束源，通过对zno靶的溅射，使其沉积成膜、主辅离子束源带两个石墨平面栅极及带两个散焦栅极的离子源，为避免溅射过程中离子束与靶介电表面发生相互作用而出现正电荷沉积，在体系中添加一个等离子体中和器。zno靶由zno粉末加压制成，放置于由水冷却的靶座上，沉积前将沉积室抽至低真空，溅射时，主离子束能量为900ev，电流为70一35ma，辅离子束能量为150ev，电流为8ma在辅离子源的引入气流中使氧含

16、量高于50，可以避免薄膜中zn超量过多。控制辅离子源的引入气流，沉积薄膜的组成可基本达到化学剂量配比。32 脉冲激光沉积脉冲激光沉积(pld)工艺是近年发展起来的真空物理沉积工艺，是一种很有竞争力的新工艺。与其它工艺相比，具有可精确控制化学计量，合成与沉积同时完成，对靶的形状与衬底表面质量元要求等优点，所以可对固体材料进行表面加工而不影响材料本体。而使用溅射法制备透明电极时，易使衬底受损，不易得到平整度高的表面。文献报道l引，在300以下用arf激光得到含2wtal的平均可见光透过率犬于90，电阻率为14310也ncm的掺a1的zno薄膜(azo)。用pld法制得的掺ga的zno薄膜(gzo)

17、不仅电学性能良好，且表面光滑，适用于高精度电极，如液晶显示等，透光率大于90，最低电阻率208 x 10一，qcm，此膜只有微小的表面不平整，粗糙度为08姗。33溶胶一凝胶法这种方法无需真空设备，因而大幅度降低了制作成本，简化了工艺，且易于控制薄膜组分，生成的薄膜对衬底的附着力强。在较低的温度下直接制成涂层，退火得到多晶结构，是一种新的边缘技术。它的合成温度较低(约300)，材料均匀性好，与cvd及溅射法相比，有望提高生产效率，已受到电子材料行业的重视。采用提拉或甩胶法将含锌盐类的有机溶胶均匀涂附在基片上，以制取zno薄膜。溶胶的制备主要是利用锌的可溶性无机盐或有机盐如醋酸锌，在催化剂冰醋酸及

18、稳定剂乙醇胺等作用下，溶解于乙二醇独甲醚等有机溶剂中而形成。涂胶一般在提拉设备或在匀胶机上进行。每涂完一层后，即置于200450下预烧，并反复多次，直至达到所需厚度。最后在500800行退火处理，但ph值大小对薄膜性能有决定性影响。karnalasall m等人通过改善锌醇盐在多种醇的溶解能力途径改进了溶胶，使用二水醋酸锌、乙烯乙二醇、n一丙基乙醇与丙三醇混合溶剂制成了均匀透明的溶胶，得到了透明无裂纹的zno薄膜。这种方法还可在溶胶中添加各种必要的掺杂剂，实现对zno薄膜的多元素掺杂，非常适用于大面积太阳电池中电极的制备。34 化学气相沉积主要包括化学气相沉积(cvd)、金属有机物化学气相沉积

19、(mocvd)、大气压中的化学气相沉积(atmospheric cvd)和燃烧化学气相沉积(combustion cvd)等方法。化学气相沉积是利用高温将zno及其掺杂氧化物蒸发气化，再以高纯度的h：作为载气体输运至沉积区，在基片上沉积成薄膜的方法。zno及其掺杂氧化物放置于蒸发区后需先预热，以便掺杂物质的均匀混合。基片放置于反应沉积室中垂直h：流向。沉积后，zno薄膜可在真空或各种气氛(如ar、h：、空气等)中进行预热及退火处理，以改善其电性能。金属有机物化学气相沉积是以含锌有机盐作为先驱体在一定温度和气压条件下气化、分解、沉积zno薄膜。一般使用锌有机源与含氧的稳定化合物气体，如noz、c

20、o：、h：o或n：o反应沉积，而zn的有机源多采用二甲基锌(dmzn)或二乙基锌(dezn)。采用dezn与co：反应的较多，这有可能是因为这两种化合物反应比较稳定。实验中等离子体的产生是至关重要，因为co：是惰性气体，在等离子体作用下使氧离化出来，与dezn生成zn0，沉积到衬底表面。影响薄膜的主要因素是衬底温度、反应压强和等离子体电离电压。反应压强约为10。2pa，电离电压约1845kv。当电压为35kv时可生长出高度c轴取向的zn0薄膜，其半高宽仅为03左右，比使用磁控溅射法制备的zno薄膜要好得多，且表面有足够的平整度；在380 nm的紫外波段和620 nm为中心的较宽波段有较强的光激

21、发发光强度。在富氧条件下生长的zno膜有可能出现立方相的zno晶体，这将导致阴极发光光谱的能量向高能端(即紫外段)移动。pecvd方法的优点是生长过程中稳定性较好，表面平整有利于在saw方面的应用。但其室温阴极发光光谱不单一，存在紫外和绿光两个发光带，不利于制作单色发光器件。mocvd是一种异质外延生长的常用方法，利用mocvd系统可以生长出高质量的zno薄膜。其沉积过程中的压强一般为o813pa，本底压强非常低。但使用mocvd法生长zno薄膜对衬底的温度均匀性要求较高，但存在一个严重不足的问题，锌源与氧在末到衬底以前，就开始反应，造成腔壁污染，形成的微粒进入zno薄膜，降低了薄膜的质量。因

22、此需要尽可能改善气体输入的位置及限制其气相反应。燃烧化学气相沉积法是一种开放的、在大气中进行的气相沉积工艺。先将先驱体溶解于可燃烧的溶剂中，然后用泵加压输送，并混入o：，使其在基片附近燃烧沉积。沉积过程可通过调节基片温度、先驱体浓度及组成、气溶胶大小、溶剂的组成及沉积范围等来加以控制。最大特点是无需真空反应室。35 喷雾热分解法该法是利用喷雾热分解装置将醋酸锌的水溶液或有机溶液喷雾沉积于基片上，并在高温下分解形成zno薄膜的工艺，该工艺较简单，掺杂物质可按一定化学配比与醋酸锌一起溶解于溶剂中，比较容易实现化学剂量掺杂。醋酸锌溶液的浓度为0109m，基片温度为575773，载气体为压缩空气。研究

23、表明，醋酸锌溶液浓度对zno薄膜的定向生长有显著的影响，浓度越高，zno薄膜的c轴定向生长特征越强。4、利用中频脉冲电源和等离子体增强化学气相沉积方法制备zno薄膜材料4.1 实验部分实验采用自行研制的中频脉冲电源和等离子体增强化学气相沉积方法进行大量zno 和zao 薄膜沉积实验以便能探讨一种新的制膜技术。4.1.1 实验装置图4.1 mf-pecvd 实验装置图整套装置由炉体 真空系统锌源室组成具体装置图如图4.1 所示真空炉体由顶盖炉体和底座组成形成一个密封容器炉体做成夹层充以流动冷却水避免密封件被高温损坏底座上安装有阴极热电偶温度计进气口和抽气口等装置动态平衡的供气和抽气系统由供气单元

24、和抽气单元二部分组成保证工艺要求所需的真空度不同于以往pecvd 系统 本实验用12cm2cm 的铝板代替炉体作为一电极醋酸锌在常温下是固体生长膜时使其溶于去离子水通过加热提高其蒸气压为避免蒸汽在管道传输过程中在管壁凝结在通气管外壁缠绕上保温带以维持一定的温度。4.1.2 pecvd 中频电源(1)电源框图图4.2 pecvd 中频电源框图电源电路方框图如图4.2 所示电路主要由以下几部分组成：三相整流滤波单元、功率变换主电路单元、pwm 信号产生与控制单元、驱动电路单元、过流检测采样单元、输出单元辅助电源及其它。(2)系统使用中频电源各项技术指标输出电压幅度0 - 900v 可调频率150k

25、hz 功率1000w 占空比30 604.1.3 参与反应试剂与气氛高纯氧气(99.999% 武钢氧气厂) 氩气99.9 武钢氧气厂醋酸锌(zn(ch3coo)2 分析纯99.9% 天津市科密欧化学试剂开发中心) 六水合三氯化铝(alcl36h2o,分析纯99.9%,中南化工试剂有限公司)。4.1.4 实验方案设计实验分两部分进行。第一部分是在普通钠钙载玻片上沉积zno 薄膜。第二部分是在普通钠钙载玻片上沉积zao 。薄膜考察工艺参数对薄膜品质的影响电压使用本电源时420v 左右起辉最高可调电压为900v 据此设定范围为450v 900v电流根据电源情况和所需衬底温度设定范围为0.9 1.8a

26、衬底温度考虑所需衬底温度结合电源情况设定范围为150 550_沉积时间通过初步实验结合实验具体探讨情况设定范围为60 210min反应室总气压通过初步实验结合真空系统的实际情况设定讨论范围为150 500pa锌源温度通过初步实验设定范围为50 80_锌源浓度通过初步实验设定浓度值0.5/0.75/1.0mol/l掺杂量根据理论分析和初步实验设定浓度值为1/2/3at.%实验采用mf-pecvd 法制备zno 和zao 薄膜用去离子水作溶剂醋酸(zn(ch3coo)2)为锌源配制锌源溶液制备zao 薄膜时用alcl36h2o 作掺杂剂第一部分实验中考察反应室总气压沉积时间锌源浓度对薄膜吸光zno

27、 薄膜的制备掺杂工艺研究16度的影响比较沉积薄膜前后透射率的变化考察衬底温度反应室总气压锌源浓度对成膜速率的影响考察衬底温度对薄膜表面颜色均匀度附着力晶型的影响考察zno 薄膜的光催化作用通过上述实验得出mf-pecvd 法制备zno 薄膜的最佳工艺参数第二部分实验中运用正交设计法考察衬底温度沉积时间锌浓度掺杂量对zao 薄膜透射率的影响得出mf-pecvd法制备zao 薄膜的最佳工艺参数最后通过比较zno 与zao 薄膜的透射率分析了掺杂影响薄膜透射率的原因。4.1.5 制备流程4.1.5.1 实验前衬底的准备载玻片的处理将普通钠钙载玻片切割成2.5cm1.2cm 大小用洗衣粉清洗后用去离子

28、水洗净，再用乙醇浸泡清洗去离子水洗涤两次后烘干待用。4.1.5.2 实验过程将载玻片放在下极板上。将真空系统抽真空，极限真空为35pa 压，升率为20pa/h 。调节电源电压充入氩气，溅射约10min， 开始充入反应气氛锌源调节反应气氛流量达到实验所设定的炉体内气压进行薄膜沉积实验由于锌源升温需要一段时间一般提前将锌源加热至预定温度以保证在反应过程中锌源能保持恒定地供给记录实验参数数据衬底温度由温度传感器测量升温时间根据预先设定电压而有所不同一般保持在 30 40min 沉积时间是指温度恒定后的保温时间由于温度传感器所测衬底温度和真实衬底温度有一定的温度差约为100_ 实验中所讨论的衬底温度是

29、指温度传感器所测温度。4.1.5.3 实验后处理实验结束抽气系统一直工作直到炉体内温度降至室温取出样品装入样品袋中编号待检测。4.2 薄膜的主要表征方法概述4.2.1 uv-vis 分光光度计法检测玻璃衬底上镀膜后的透射率和吸光度考察zno 和zao 薄膜的光学特性同时根据吸收峰的位置计算zno 薄膜的禁带宽度采用上海第三分析仪器厂生产的721 型分光光度计检测扫描波长为350 800nm。4.2.2 xrd 检测法xrd 检测的主要目的，在于确定zno 薄膜的晶面取向，从而考察衬底温度对zno 薄膜晶体结构的影响。利用x 射线衍射法，进行晶体结构分析主要是利用x 射线在晶体中产生衍射现象。衍

30、射现象的实质是大量的原子散射波相互干涉的结果，每一种物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型晶胞大小，晶胞中原子(离子或分子)的数目及其位置。而这些参数在x 射线衍射图谱上均有所反映。多晶物质衍射线条的数目位置及强度就像人的指纹一样是某种物质的特征，因而可以成为鉴别物相的标志。x 射线定性分析就是比较被测定试样和已知物质的衍射图谱。若试样的衍射谱中含有某已知物质的谱图，即可判定该样中含有某种物质现在应用的己知物质的标准图谱是jcpds 的粉末衍射卡片组(pdf) 凭借字母顺序索引或hanawat 索引找到相应的数据组获得pdf 卡片的号码找出卡片仔细对照比较判别是否有该种物质实验所用检测仪器为b

31、ruker d8 x-射线衍射仪cu 靶k 射线源。4.2.3 红外谱(ir)检测法在化合物的结构鉴定与研究工作中，红外光谱是一种重要的手段。用它可以确定一个新化合物中，某一特殊键或官能团是否存在红外光谱。用波数为横坐标以表示吸收带的位置，用透射百分率transmittance% 为纵坐标表示吸收强度时吸收带。为向下的谷分子中原子的振动可以分为两大类一类是原子间沿着键轴的伸长和缩短即伸缩振动振动时键长有变化但键角不变另一类是组成化学键的原子离开键轴而上下左右的弯曲即弯曲振动弯曲振动时键长不变但键角常有变化研究红外光谱的结果可以肯定在一定频率范围内出现的谱带是由哪种键的振动所产生的整个辐射电磁波

32、涵盖的范围非常广光子所具有的能量也不同不同能量光子在与物质反应时则会有不同的跃迁情形所谓红外光一般定义是指波长在可见光(0.78m)和微波(1000m)间的电磁波从微观的角度来看分子是随时保持振动和转动若吸收适当频率的红外光会使分子变为激发态的分子所以可以通过透射红外光谱来了解分子的结构作为鉴定分子结构的工具由于研究的是固体样品分子和分子间会彼此束缚所以看不到转动峰谱只有振动谱峰红外光检测对于样品来说是一种非破坏性的分析样品在进行红外光谱测量之后,并不会造成原来结构的破坏和改变实验所用检测仪器为美国尼高力nicolet 公司生产的nexus 470 智能型傅立叶红外光谱仪。4.2.4 椭偏仪法

33、本实验中椭偏仪用于测量zno 薄膜的厚度测量多层膜厚度和光学常数的经典方法。椭偏仪法它属于反射光谱椭偏仪法可以用来测量薄膜的厚度复折射系数(实部折射率n 和虚部消光系数k)电介质薄膜的能隙等物理性质椭偏仪法的基础是两种介质界面上四个菲涅耳公式(分别给出p 分量和s 分量的反射率和投射率)和折射定律zno 薄膜的制备掺杂工艺研究18在薄膜样品中光波在空气/薄膜界面和或薄膜/衬底反复反射和折射计算得到反射率r 和透射率t 分别为r r r exp( 2i ) 1 r r exp( 2i ) 01 12 01 12 = + + (3.1)t t t exp( i ) 1 r r exp( 2i )

34、01 12 01 12 = + (3.2)式(3.1) (3.2)中1 1 = (2n d / ) cos d 和n1是薄膜厚度和折射率1是入射角r01 r02 t01 t02 分别是0 1 和1 2 介质0 1 2 分别代表空气薄膜和衬底界面上的反射率和折射率它们可以分别由p 分量和s 分量的不同菲涅耳公式计算出来对于有衬底薄膜根据种介质的折射率和薄膜厚度也可以从上式得到有衬底薄膜的反射率r 和透射率t实验所用检测仪器为rudolph research 公司生产的autoel _型椭圆偏振光测厚仪。4.2.5 x-射线光电子能谱(xps)检测法本实验中xps 检测的目的是分析沉积薄膜表面的化

35、学成分用能量足够高的光子作为激发源通过光电效应产生一定能量的光电子x-射线光电子能谱仪利用能量较低的x-射线源作为激发源通过分析样品发射出来的具有特征能量的电子分析样品化学成分实验所用检测仪器为thermo electron corporation 生产的vgmultilab 2000 x-射线光电子能谱仪。5、结论本文分别从zno薄膜材料的应用以及性质研究状况和发展趋势，着重介绍该材料的各种制备工艺，并就其中一种工艺进行设计，以研究出更趋完善的制备方法。随着薄膜制备工艺的不断发展和高质量衬底的应用, zno薄膜的制备及其特性研究仍然是该领域研究的热门之一,研究工作者也志在寻求最优化的薄膜生长

36、条件与工艺,从而获得更加有实际价值的薄膜. zno薄膜虽然有了几十年的研究历史,但是目前依然还有很广的研究前景,特别是在p型掺杂、紫外受激激发及场发射性能等方面都很值得人们继续去研究。6、心得体会 为期一周的课程设计结束了，在这次材料科学导论的课程设计中不仅检验了我材料学方面所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。我想说，应用物理虽然难学，但我们可以，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里四年的相处还赶不上这几来天的课程设计，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，课程设计确实很累，但当我们所设计的程序出来结果时，心中也不免产生兴奋。正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有