Er摻雜ZnO薄膜光學(xué)特性的研究

徐井華，崔 舒，劉成有

(通化師范學(xué)院 物理系，吉林 通化 134002)

ZnO是一種具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能卻高達(dá)60meV，由于具有如此大的束縛能，激子更易在室溫下實(shí)現(xiàn)高效率的激光發(fā)射，是一種適用于在室溫或更高溫度下應(yīng)用的短波長發(fā)光材料.在ZnO中摻雜不同的金屬原子或離子，就可以改變ZnO的結(jié)構(gòu)和帶隙寬度，使摻雜ZnO具有不同于本征ZnO的新特性.稀土金屬具有獨(dú)特的最外層電子結(jié)構(gòu)，而且稀土金屬具有易分散和不可還原的特性，目前已逐漸成為p型ZnO薄膜摻雜體系研究的熱點(diǎn)[1，2].本文采用溶膠凝膠(sol-gel)法分別在普通載玻片和Si(P，100)片上生長了不同濃度的Er摻雜ZnO薄膜，研究不同濃度Er摻雜對(duì)ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、紫外透射、室溫光致發(fā)光、表面形貌等的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 薄膜樣品的制備

首先根據(jù)摩爾比用電子天平稱量二水合乙酸鋅(CH3COO)2Zn·ZH2O和六水合硝酸鉺(EN(NO3)3·6H2O)溶于乙二醇(HOCH2CH2OH)中，再加入與金屬離子等摩爾的催化劑單乙醇胺(C2H7NO)，置于反應(yīng)釜中于60℃條件下攪拌1h，形成無色透明均質(zhì)溶膠，陳化72h后均勻涂膜，最后將樣品分別置于箱式電阻爐中退火，普通玻璃襯底退火溫度為550℃，Si襯底退火溫度為800℃，退火時(shí)間2h，隨爐冷卻至室溫，得到摻雜濃度分別為1%，2%，3%的Er摻雜ZnO薄膜.

1.2 薄膜樣品的分析與測(cè)試

樣品結(jié)構(gòu)(XRD)表征采用X射線衍射儀.樣品室溫透射光譜(UVS)用紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量波長為200～800nm.光致發(fā)光光譜(PL)采用單色儀、激光器、CCD組合的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試.激發(fā)光源使用美國光譜物理公司生產(chǎn)的He-Ge激光器，激發(fā)波長325nm.樣品的表面形貌(AFM)采用日本精工生產(chǎn)的原子力顯微鏡進(jìn)行測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 Er摻雜ZnO薄膜X射線衍射譜分析(XRD)

圖1 不同摻雜濃度樣品800℃退火XRD圖譜

圖1是不同摻雜濃度樣品的XRD圖譜，衍射圖譜對(duì)應(yīng)六角纖鋅礦ZnO多晶結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)ZnO以外的晶體衍射峰，所有樣品的XRD譜線都有六個(gè)衍射峰，分別對(duì)應(yīng)Zn0的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)和(103)衍射峰，且(100)、(002)、(101)三大衍射峰強(qiáng)度相當(dāng)且均無明顯的擇優(yōu)取向，而T.M.Williams[3]等人用PLD法在藍(lán)寶石襯底上制備的Er摻雜ZnO薄膜的XRD衍射圖譜表明薄膜具有沿(002)峰擇優(yōu)生長的優(yōu)勢(shì).摻雜樣品的各個(gè)衍射峰的峰位隨著摻雜濃度的提高略向大角方向微移，這說明摻雜濃度的提高使ZnO薄膜的晶格常數(shù)變小.這是因?yàn)镋r的摻入，在氧化鋅晶格中形成替位原子，產(chǎn)生了晶格畸變，影響到晶格常數(shù)，從而使氧化鋅晶格的大小發(fā)生改變，晶面間距發(fā)生變化，導(dǎo)致晶面對(duì)入射光線透射率的變化[4].

2.2 Er摻雜ZnO薄膜紫外透射光譜分析(UVS)

2(a)波長和透射率關(guān)系圖 2(b)能量和透射率關(guān)系圖

圖2是以載玻片為襯底的各摻雜濃度樣品550條件下退火的室溫透射光譜.從圖中可以看到，三個(gè)濃度的樣品在波長為380nm的紫外波段附近透射率急劇下降，存在明顯的紫外吸收邊，這與ZnO薄膜的帶寬(3.37eV)非常接近，因此可以認(rèn)為我們所制備的Er摻雜ZnO薄膜具有良好的晶體結(jié)構(gòu).從圖2(a)中還可以看出隨著摻雜濃度的提高透射邊向短波方向移動(dòng)，但移動(dòng)的幅度較小，這表明稀土Er的摻雜使ZnO帶隙寬度略微增大.圖2(b)則給出了Er摻雜ZnO薄膜的具體帶隙寬度值，1%樣品帶隙寬度為3.33eV，2%的為3.34eV，3%的為3.35eV，可見隨著Er摻雜濃度的提高，ZnO薄膜的禁帶寬度發(fā)生了微小的藍(lán)移.

2.3 Er摻雜ZnO薄膜光致發(fā)光光譜分析(PL)

圖3 不同摻雜濃度樣品800℃退火PL圖譜

圖3為不同濃度下Er摻雜ZnO薄膜光致發(fā)光光譜.由圖可知樣品在吸收邊附近均有較強(qiáng)的紫外發(fā)射峰，樣品的紫外發(fā)光的強(qiáng)度都隨著摻雜濃度的提高而逐漸增強(qiáng)，而且紫外發(fā)光峰的峰位也出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象，這與透射譜觀察到的現(xiàn)象相吻合.濃度為1%的樣品450nm～650nm的黃綠發(fā)光帶也明顯增強(qiáng)，說明此摻雜濃度下的樣品引入了大量的缺陷態(tài).

2.4 Er摻雜ZnO薄膜表面形貌分析(AFM)

圖4是不同摻雜濃度樣品800℃下退火表面形貌圖，各樣品表面比較均勻平整有顆粒狀結(jié)晶生成，各樣品表面晶粒間結(jié)合緊湊，排列比較致密.可以看到，隨著摻雜濃度的提高，顆粒的尺寸逐漸減小.

圖4 不同摻雜濃度樣品800℃退火AFM圖

3 結(jié)語

用溶膠——凝膠法合成了Er摻雜的ZnO薄膜，主要研究了摻雜濃度對(duì)ZnO薄膜光學(xué)特性的影響，研究結(jié)果表明摻雜后的樣品仍為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，摻雜濃度提高時(shí)，XRD衍射峰明顯的向大角方向移動(dòng)，摻雜樣品的透射邊則發(fā)生微小藍(lán)移，樣品的紫外發(fā)光峰向短波方向移動(dòng)且強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，樣品表面較均勻平整，顆粒的尺寸逐漸減小.

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhao X，Komuro S，Isshiki H et al.Fabrication and optical transition dynamics of Er-doped ZnO thin films[J].Journal of Luminescence，2000，(87-89):1254.

[2]文軍，陳長樂.RF濺射釹摻雜ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)與發(fā)光特性 [J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2008，29 (5):856-861.

[3]T.M.Williams，D.Hunter，and A.K.Pradhan.Photoinduced piezo-optical effect in Er doped ZnO films [J].Applied Physics Letters,(2006)，89(4)：43116.

[4]張瑞芳.理論和實(shí)驗(yàn)研究稀土摻雜對(duì)ZnO能隙的調(diào)控作用[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2007，6.