Zn1-xCuxO 薄膜的结构和光学性质

报 告 人：王晓飞指导老师：吴雪梅、诸葛兰剑

背景： 氧化锌作为一种新型的半导体材料以其优良的特性越来越吸引科研人员的关注，其优良性能使它在光电器件领域具有广泛的应用前景。 已有许多作者研究了在多种基片上生长不同掺杂金属的 ZnO 薄膜的光学性质，但关于 Cu 掺杂 ZnO 薄膜的光学性质的报道却很少。

内容：

1. Zn1-xCuxO 薄膜的制备

2. Zn1-xCuxO 薄膜的结构性质

3. Zn1-xCuxO 薄膜的光学透射谱

4. 结论

5. 下一步工作

1. Zn1-xCuxO 薄膜的制备 采用射频磁控溅射法在 Si 和石英基底

上分别制备了 Zn1-xCuxO 薄膜。 (1). 基片的清洗 采用传统的半导体 RCA 方法。 (2). 薄膜的制备参数

本底真空 (Pa) 6.0×10-4

沉积气压 (Pa) 2.0

Ar 流量 (sccm) 20

沉积温度 ( )℃ 20

溅射功率 (W) 150

镀膜时间 (min) 30

2. Zn1-xCuxO 薄膜的结构性质（ 1 ） . 薄膜的 XRD 图谱

30 40 50 60

Cu(111) e

d

c

b

a

ZnO(110)ZnO(100) ZnO(002)

Inte

nsi

ty /

a.u

.

2 /degree

图 1. 不同 Cu 掺杂浓度的 Zn1-xCuxO 薄膜的 X 射线衍射图（ a ： x=0 ； b ： x=0.038 ； c ： x=0.073 ； d ： x=0.145 ； e ： x=0.321 ）

（ 2 ） . (002) 衍射峰的峰位和 FWHM 随 Cu 掺杂量变化关系曲线

0.00 0.05 0.10 0.1534.10

34.15

34.20

34.25

34.30

0.26

0.28

0.30

0.32

0.34

ba

2 /

de

gre

e

X %

FW

MH

/d

eg

ree

图 2 (002) 衍射峰的峰位和 FWHM 随 Cu 掺杂量变化关系曲线曲线 a 、曲线 b 分别为 (002) 衍射峰的峰位和 FWHM

（ 3 ） . 样品的 SEM 照片

图 3 Zn1-xCuxO 薄膜 SEM 表面形貌图（ a. x=0; b. x=0.038; c. x=0.073; d. x=0.145 ）

3. Zn1-xCuxO 薄膜的光学透射谱（ 1 ） . 样品的光学透射谱

300 400 500 600 700 800

0

20

40

60

80

100

120

dc

b

a

Tra

nsm

itta

nce

T/%

（）

/nm

图 4 . 不同 Cu 掺杂浓度的 Zn1-xCuxO 薄膜的透射图

（ 2 ） . 样品的能隙宽度随掺杂量的变化

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.70.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0d c

b

a

(h

)2 (1

014cm

-2e

V2 )

Photon Energy (eV)

h

图 5 . 不同 Cu 掺杂浓度的 Zn1-xCuxO 薄膜的 和 曲线（ a ： x=0 ； b ： x=0.038 ； c ： x=0.073 ； d ： x=0.145 ）

2h h

表 1. Cu 掺杂量和禁带宽度之间的关系表 1. Cu 掺杂量和禁带宽度之间的关系

样 品 a b c d

参杂量 0 0.038 0.073 0.145

禁带宽度 3.39 3.37 3.34 3.31

这种过渡金属掺杂Ⅱ -Ⅵ 族半导体导致其光学带隙出现红移现象一般认为是在取代了阳离子后过渡金属的局域化 d 电子与半导体带边电子发生了 sp-d 自旋交换作用。

4. 结论

（ 1 ） . 在室温下，采用射频磁控溅射法在 Si

（ 111 ）和 石英基底上成功的制备了

Zn1-xCuxO 薄膜。 （ 2 ） . 随着 Cu 含量的增加薄膜的结晶质量有

所 下降，薄膜的颗粒尺寸也随着变小。 （ 3 ） . 通过对样品的透射谱分析，发现样品

的 带隙随着薄膜中 Cu 含量的增加而减 小。

5. 下一步工作

（ 1 ） . 改变制备参数以期制备出更好的Zn1-xCuxO 薄膜。

（ 2 ） . 进一步探讨 Zn1-xCuxO 薄膜随 Cu

参杂 量增加带宽变窄的原因。（ 3 ） . 在现有工作的基础上着手研究

Zn1-xCuxO 薄膜的 Hall 效应和磁学特 性。