ZnO薄膜的光电性能及应用.ppt

姜鹏峰16722159 2017 2 24 ZnO薄膜的光电性质及应用 目录 ZnO晶体结构 ZnO薄膜简介 其晶体的空间结构中 每个Zn原子和四个O原子按四面体排布 ZnO薄膜的截面FE SEM图 氧化锌是宽禁带半导体材料 室温下的禁带宽度约3 3eV 大于可见光的光子能3 10eV 因此在可见光波段 400nm 800nm ZnO的透射率很高 此外 ZnO的一个突出特点是具有高60meV的激子束缚能 使激子在室温稳定存在 能够实现高效的室温激子复合发光 ZnO薄膜简介 ZnO的可见紫外吸收光谱 ZnO薄膜简介 ZnO在我们可能涉及领域的应用 发光材料宽禁带量子效应透明导电膜电极电极修饰增透膜保护膜 蓝绿 蓝紫 紫外LED白光LED OLED 柔性OLED等发光器件OPB 复合OPBTFT LED OLED等薄膜太阳能电池 电致发光光致发光 阳极阴极 增加光吸收增加光出射 ZnO薄膜简介 ZnO的光学特性 ZnO薄膜简介 ZnO的光致发光谱通常有紫外发射带和可见光发射带 紫外发射带是来自于近带边的发射 是由于激子的复合 可见光发射带通常与缺陷或杂质有关的深能级有关 极性较强的半导体材料 由于导带自由电子和价带自由空穴之间的库仑作用 使它们束缚在一起构成激子 在半导体材料可以自由移动的叫做自由激子 由于电子的有效质量小于空穴的有效质量 自由激子的结构中 电子围绕空穴旋转 与氢原子类似 ZnO薄膜主要用于太阳能电池 它与之前所用的氧化铟锡 ITO 和二氧化锡透明导电薄膜相比 具有生产成本低 无毒 稳定性高 特别是在氢等离子体中 对促进廉价太阳电池的发展具有重要意义 ZnO薄膜简介 ZnO薄膜简介 真空蒸发镀膜法磁控溅射镀膜法射频反应电子镀法脉冲激光沉积 PLD 分子束外延 金属有机物化学气相沉积 MOCVD 化学气相沉积法喷射热解法溶胶 凝胶法 制备方法 化学法 物理法 ZnO薄膜简介 sol gelmethod ZnO薄膜简介 sol gelmethod 优点 设备简单 操作简单 容易掺杂 可以制备大面积的薄膜 成本低 缺点 燃烧不完全会残留炭 以及化学原料中引入的 在制备ZnO薄膜过程主要采用如下化学原料 硝酸锌 乙酸锌等为锌源 异丙醇 甲醇 乙二醇等作为溶剂 单乙醇胺等作为稳定剂 ZnO薄膜简介 Examplesofzincoxidestructure 宽带隙使ZnO在可见光波段 400 800nm 有高达80 的光学透过率 ZnO材料高激子结合能使其在室温下的受激辐射能在较低阈值出现 是一种理想的紫外光发射材料 ZnO薄膜简介 ZnO薄膜的光电性质 光电性质 ZnO的电学特性 纯净的理想化学配比的ZnO由于带隙较宽 是绝缘体 而不是半导体 但是由于本身的缺陷 如氧空位 锌填隙等施主缺陷 使其常常表现出N型导电 在ZnO晶体的空位形成过程中 由于形成氧空位所需的能量比形成锌空位所需的能量小 因此 在室温下ZnO材料通常是氧空位 而不是锌空位 而氧空位产生了2价施主 使其表现出N型导电 同时根据自补偿原理 氧空位的浓度和氧填隙的浓度之积是常数 当氧空位的浓度很大时 氧填隙的浓度很小 锌空位的浓度较小 而锌填隙的浓度则较大 因此 当在ZnO的晶体中氧空位占主导时 表现出N型导电 ZnO薄膜的光电性质 ZnO薄膜简介 ZnO薄膜的光电性质 光电性质 ZnO高熔点的物理特性 具有很好的热化学稳定 1975 ZnO薄膜可在低于600 下获得 有利于降低设备成本 可大大减少高温制备条件下产生的缺陷 提高薄膜质量 ZnO是至今为止 族半导体材料中最硬的一种 机械性能优良 ZnO薄膜简介 ZnO薄膜的光电性质 ZnO的光学特性 ZnO的光致发光谱通常有紫外发射带和可见光发射带 紫外发射带是来自于近带边的发射 是由于激子的复合 可见光发射带通常与缺陷或杂质有关的深能级有关 极性较强的半导体材料 由于导带自由电子和价带自由空穴之间的库仑作用 使它们束缚在一起构成激子 在半导体材料可以自由移动的叫做自由激子 由于电子的有效质量小于空穴的有效质量 自由激子的结构中 电子围绕空穴旋转 与氢原子类似 为分析ZnO薄膜的综合光电特性 引入品质因子作为量化ZnO薄膜综合光电特性的指标 式中FTC RS T分别为样品的品质因子 方块电阻 透光率 其中 的取值为样品在360 960nm波长范围内的平均透光率 FTC的值越大 样品的综合性能越好 ZnO薄膜的光电性质 ZnO薄膜的光电性质 蒸发铝膜 导电漆膜 印制电路板铜箔膜等薄膜状导电材料 衡量它们厚度的最好方法就是测试它们的方阻 什么是方阻呢 方阻就是方块电阻 指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻 如图所示 即B边到C边的电阻值 方块电阻有一个特性 即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的 不管边长是1米还是0 1米 它们的方阻都是一样 这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关 光电性质的影响因素 退火温度 沉积温度 退火温度的影响 退火温度的影响 温度能对反应分子起到活化作用 对形成良好的晶体有很大的影响 用改进的CVD法制备ZnO薄膜 要SiO2表面从390 到550 不同条件下沉积ZnO薄膜 均能得到C轴取向一致的ZnO薄膜 但温度不同 其取向度不同 衬底温度为550 时 结晶状况最好 退火温度的影响 沉积温度的影响 ZnO薄膜在各种温度下的沉积和退火样品的光透射光谱 光电性质的影响因素 1 退火处理可以改善ZnO膜的形貌 从AFM和SEM图像显而易见 氧化锌薄膜在可见波长范围内有高达85 的光透射 2 XRD结果表明该膜是 002 101 和 102 方向的优先取向的多晶 但是退火温度增加到400 以上 002 方向更显着 因为退火处理的ZnO薄膜显示出良好的结构和光学性能是因为其具有更光滑的表面 3 基于结果 可以得出结论ZnO薄膜适用于太阳能电池应用 在退火时应该将带隙调节到合适的值 4 除180 沉积温度下制备的样品以外 其他温度下制备的ZnO薄膜在可见光区域的透过率均接近甚至高于80 光电性质的影响因素 结论 Becauseofitsdiverseproperties bothchemicalandphysical zincoxideiswidelyusedinmanyareas Itplaysanimportantroleinaverywiderangeofapplications rangingfromtyrestoceramics frompharmaceuticalstoagriculture andfrompaintstochemicals ZnO薄膜的应用 Worldwideconsumptionofzincoxide 应用 ZnO晶体结构和光电特性 在光显示 光照明 光存储以及光探测等领域具有诱人的应用前景 ZnO薄膜的应用 ZnO薄膜的应用 ZnO由于它的直接带宽禁带3 37ev 紫外强烈吸收 可见光范围可以透过 因此 在可见光区具有很高的透过率 可以制备透明导电薄膜 Al掺杂ZnO薄膜的电阻率较低10 4Qcm 可见光透过率高大于80 有的甚至大于90 因为它的原料丰富 成本低廉 Al掺杂的ZnO薄膜将会成为ITO薄膜的替代品 ZnO薄膜是透明导带薄膜 在可见光波长范围内的透过率达90 是太阳能电池的透明电极和窗口材料 透明导电薄膜 ZnO薄膜的应用 压电传感器 压电薄膜传感器示意图 所示ZnO压电薄膜表面微机械传感器示意图 这种新结构的器件既充分发挥了表面微机械加工技术的优点 又可利用ZnO材料的多功能特性 与用体微机械技术制作的集成化ZnO器件相比 可大大简化其制作工艺和减小器件尺寸 为研制集成ZnO薄膜器件提供了一种有效的手段 近年来 短波长激光器成为半导体激光器研究的一个热点 如ZnSe基量子阱激光器 但是寿命较短 要进一步提高 难度很大 主要是在于ZnSe是一种离子性很强的晶体 容易产生损伤 在受激发射运行时 容易因温度的升高而造成缺陷的大量增加 ZnO是短波长发光器件材料 可以制作ZnO基发光二极管 并实现了同质结构P I N结的室温紫外电致发光 在室温下观察到从紫光到绿光的电致发光 ZnO薄膜的应用 发光器件 ZnO薄膜的应用 湿度传感器 右图为ZnO薄膜湿度传感器的结构示意图 它是在陶瓷 玻璃等绝缘基片上形成一对叉指的检测电极 再在叉指电极上部覆盖用作湿敏