溶膠凝膠法制備Cu摻雜ZnO納米薄膜及其表征

　　采用溶膠-凝膠法制備了不同Cu摻雜濃度的ZnO薄膜,并通過X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、紫外可見分光光度計和伏安特性測試等研究了Cu摻雜量對薄膜微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌及光電特性的影響。結(jié)果表明:所得Cu摻雜ZnO薄膜為六角纖鋅礦多晶結(jié)構(gòu),有CuO雜質(zhì)相生成。隨Cu摻雜量的增加,薄膜晶粒長大,且樣品粒度均勻,平均粒徑約53 nm。Cu摻雜ZnO薄膜具有良好的透光性,在可見光范圍內(nèi)的平均透射率超過80%,最大可達90%以上。Cu摻雜濃度為0.001%時,所得ZnO薄膜的導電性明顯優(yōu)于其他摻雜條件下的樣品。

　　關(guān)鍵詞：溶膠-凝膠法;氧化鋅薄膜;Cu摻雜;光電特性

　　Abstract: The Cu-doped ZnO films were deposited in sol-gel method on substrates of Si and indium-tin-oxide(ITO) coated glass.The impacts of the growth conditions,such as the Cu-doping levels,annealing temperature,and film thickness,on the microstructures and properties of the ZnO polycrystalline films were studied.The Cudoped ZnO films were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy,ultraviolet visible(UV-Vis) spectroscopy,and conventional surface probes.The results show that the Cu-doping level strongly affects the hexagonal wurtzite-structured ZnO films,and improves its properties.For example,as the Cu content increased,the ZnO films became more uniform with bigger grains,with an averaged size of 53 nm.The averaged and highest visible transparency of the Cu-doped ZnO films grown under optimized conditions were found to be 80% and 90%,respectively.The ZnO film doped with 0.001% of Cu displays the highest conductivity.

　　Keywords: Sol-gel method,ZnO thin film,Cu doping,Electrical and optical properties

　　基金項目: 教育部留學回國人員科研啟動基金(20091341-4);; 中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(N090403001)

　　ZnO 薄膜是一種新型的族寬禁帶半導體材料, 禁帶寬度為337 eV, 激子束縛能為60 meV, 常見的多晶ZnO 為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO 具有材料來源豐富、價格低廉、無毒、化學穩(wěn)定性較高、易實現(xiàn)摻雜等優(yōu)點, 因此在透明電極、平面顯示和太陽能電池等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1] 。摻雜可有效改進半導體電與光特性。摻雜Al元素制備出了性能良好的ZnO 薄膜和透明電極[2-3] ,Mg摻雜可以改變ZnO薄膜的禁帶寬度, 提高光學性能[4] , 摻雜Co, Ni, Mn 等可以制備磁性材料[5-7], Pd 或Ag摻雜ZnO納米粒子的光催化活性大幅度提高[8] 。通常Cu作為一種發(fā)光催化劑和n 型材料的補償劑, 對于族化合物半導體來說其作用相當重要。Cu 摻雜ZnO 已經(jīng)被用于熒光材料、變阻器中的活性材料和表面聲波裝置[9-11] 。Cu1+ 半徑( 060) 、Cu2+ 半徑與Zn2+ 半徑( 0060 nm) 相同或接近, 易實現(xiàn)元素的替代。目前利用溶膠-凝膠法制備摻銅氧化鋅薄膜的系統(tǒng)研究卻少有報道, 本文采用溶膠-凝膠法制備了Cu 摻雜濃度為0~ 1% 的ZnO 薄膜, 研究了摻雜濃度對ZnO 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌及光電特性的影響。

　　采用溶膠凝膠法制備了六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Cu摻雜ZnO 多晶薄膜, XRD 特征衍射峰分別對應于(100) , (002) 與(101) 晶面。隨Cu 摻雜濃度增加, 薄膜衍射峰強度增加, 結(jié)晶性變好, 樣品粒度均勻, 晶粒尺寸呈先增大后減小趨勢, 平均粒徑約53 nm。摻雜導致新物相產(chǎn)生, 在XRD 中未發(fā)現(xiàn)CuO 的衍射峰。Cu 摻雜ZnO 薄膜具有良好的透光性, 可見光范圍內(nèi)的平均透射率超過85%, 最大可達90% 以上。Cu 摻雜濃度0􀀁001% 的ZnO 薄膜在所有樣品中具有最佳的導電特性, 這相對于文獻報道的其他元素摻雜的ZnO 薄膜尚有明顯差距, 下一步可嘗試如Ag-Li 和Cu-Li 共摻雜ZnO 薄膜。

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