掺杂对ZnO薄膜结构的影响

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　　[摘 要] 本文在分析目前ZnO薄膜掺杂研究的基础上,概括了掺杂离子半径对ZnO薄膜结晶及晶格常数等的影响,指出: 掺入的金属离子半径小于锌原子半径时，掺入的金属离子可替代格点上的锌原子，也可能成为填隙原子，掺杂量小时，替代原子多而填隙原子少；掺杂量大时，填隙原子会增加，而对ZnO薄膜的晶格常数产生较大的影响。
　　[关键词] 掺杂 ZnO 薄膜 结构
　　
　　ZnO为Ⅱ－Ⅵ族宽禁带、直接带隙、化合物半导体，为六角形纤锌矿结构（沿C轴方向平移5c/8），晶格常数a=0.325nm，c=0.521nm，带隙Eg=3.37ev，激子束缚能较高，为60mev，因此室温下不易被热激发。
　　ZnO是一种理想的短波长发光器件材料，在光电子、高温大功率器件、高频微波器件以及信息技术领域等方面有着广阔的应用前景。本文研究掺杂对ZnO薄膜的结构的影响。
　　1.Co掺杂对ZnO薄膜结构的影响
　　杨景景等[1]使用了PVA这种可溶性高分子聚合物，以溶胶-凝胶法（Sol-Gel）制备Co2+离子掺杂的ZnO薄膜。图1为样品的XRD图谱，可以看出，掺杂的Co2+没有改变ZnO的六角纤锌矿结构，并且样品具有（002）方向的择优取向。同时随着掺杂量的增加，样品的衍射峰强度逐渐降低。利用布拉格公式和谢乐公式对样品的微结构数据进行计算：
　　（1）式中D为晶粒尺寸，为X射线源波长0.154056nm，B为半高全宽，θ为衍射角；（2）式中d为晶面间距；（3）式中的d为晶面间距，h，k，l为密勒指数，a与c是晶格常数；样品微结构计算数据如表1所示。
　　
　　图1 不同掺杂含量Zn1-xCoxO样品的XRD图谱
　　由表1的数据可知，随着掺杂含量的增加晶格常数a与c同时变小。
　　2.钒含量对ZnO薄膜结构的影响
　　阮宜斌等[2]采用双靶直流反应磁控共溅射法在玻璃衬底上制备了具有C轴择优取向生长的V掺杂ZnO薄膜。
　　掺钒ZnO薄膜分别标记为A、B和C，具体沉积条件如表2所示。
　　由Scherrer公式计算出未掺杂ZnO及掺杂样品A、B和C的平均晶粒尺寸分别为24.45、23.32、26.59和20.77nm。利用XRD分析软件PowerX，可得到它们的晶面间距分别为0.26286、0.26316、0.26331和0.26376nm，均大于标准ZnO粉末的晶面间距（0.26035nm）。4个样品的晶格失配分别为0.96%、1.08%、1.04%和1.31%，其中未掺杂ZnO的晶格失配最小，随钒含量增加样品A、B、和C的晶格失配依次增大。
　　3.Al2O3的掺杂量对ZnO薄膜的结构的影响
　　余俊等的研究[3]表明铝的掺杂并没有破坏ZnO晶体结构，而是A1取代了晶体结构中Zn，同时使衍射峰的位置向低角度方向移动。
　　4. 结论
　　上述文献的实验中所掺入的金属离子半径基本小于锌原子半径，各种掺杂基本上都不会破坏ZnO薄膜的结构，适量的掺杂可以提高薄膜的结晶性能，但过度掺杂就会破坏薄膜的结晶性能。当掺杂离子半径小于Zn2+半径时，将会引起薄膜点阵结构体积缩小，[002]晶面间距减小，衍射角向高值方向移动；当掺杂离子半径大于Zn2+半径时，将会引起薄膜点阵结构体积膨胀，[002]晶面间距增大，衍射角向低值方向移动。一般来说，掺入的金属离子半径小于锌原子半径时，掺入的金属离子可替代格点上的锌原子，也可能成为填隙原子，掺杂量小时，替代原子多而填隙原子少；掺杂量大时，填隙原子会增加，而对ZnO薄膜的晶格常数产生较大的影响。
　　参考文献：
　　[1]杨景景，方庆清，王保明，王翠平，周军，李雁，刘艳美，吕庆荣．Co掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响[J]．物理学报，2007，56（2）：1117-1118.
　　[2]阮宜斌，孟立建，梁二军．V含量对ZnO薄膜结构及光学特性的影响[J]．无机化学学报，2006，12（22）；2248-2250.
　　[3]余俊，赵青南，赵修建.Al2O3掺量及氧气分压对直流磁控溅射法制备铝掺杂氧化锌薄膜性能的影响[J]硅酸盐学报，2004，32（10）：1241-1245.
　　

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