【《Mn掺杂ZnO薄膜的方法综述》2300字】

Mn掺杂ZnO薄膜的方法综述目录TOC\o"1-3"\h\u12163Mn掺杂ZnO薄膜的方法综述 150451.1溶胶-凝胶法 1238851.2喷雾热解法 3ZnO是一种具有高的热稳定性和低廉的价格，无毒、透明的半导体。通过向ZnO薄膜中掺杂离子，来改善ZnO薄膜的带隙能量、光吸收率、电阻率等特性，使该材料成为液晶监视器、压电传感器和蓝色发光二极管等应用的理想选择。一些研究小组一直致力于用Mn、Al、Co、In等元素掺杂ZnO薄膜[19]，其中Mn是ZnO纳米结构中常用的掺杂元素之一。用Mn掺杂ZnO有助于将其掺入ZnO晶格中，因为Mn和Zn的离子半径之间的差异最小。用Mn掺杂ZnO薄膜的主要目的是探索调整ZnO薄膜的电、光和磁性能的可能性，并探索电子、光电、光学器件等领域的新应用[19]。根据文献，可以用溶胶-凝胶法、喷雾热解法等方法制备Mn掺杂ZnO薄膜。溶胶-凝胶法作为ZnO薄膜中常用的金属掺杂剂之一，许多文献都对不同实验条件下合成的Mn掺杂ZnO薄膜的一些性质进行了研究。采用控制良好、成本低、工艺简单的溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备Mn掺杂ZnO薄膜[20]，并且研究了不同浓度、不同薄膜厚度下的Mn掺杂ZnO薄膜。XuLi等人[20]采用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上制备Mn掺杂的ZnO薄膜，将二水乙酸锌作为金属前驱体、结晶四水氯化锰作为掺杂剂、乙醇胺作为稳定剂。在Mn离子掺杂原子摩尔比分别为0%、1.5%、3%和4.5%时进行掺杂。首先将金属前驱体和掺杂剂等溶于无水乙醇，然后进行磁化搅拌直到形成初始溶胶，并在室温下老化，形成均匀透明的湿凝胶后使用旋转涂覆机进行旋转涂覆。最后把制备的样品在450℃退火，再自然冷却到室温。图4-1为X射线衍射仪对不同浓度的Mn掺杂ZnO薄膜进行衍射分析的XRD衍射图。（100）（002）（101）面的衍射峰证明其为六方纤锌矿结构。观察图可以发现，纯ZnO薄膜即Mn离子掺杂浓度为0%时，在(002)方向有明显的择优生长趋势。通过公式4.1计算：D=kλF×cosθ (STYLEREF1\s4.SEQ(\*ARABIC\s11)其中D为平均晶粒尺寸，k为常数0.9，λ为0.154nm，F为衍射峰半峰宽（HWFM），θ为衍射峰布拉格角。当Mn含量为0%、1.5%、3%、4.5%时，晶体尺寸分别为50nm、45nm、39nm、35nm。结果表明，Mn离子的加入限制了晶体的择优取向、破坏了结晶过程。以往的研究发现可以通过增加薄膜厚度来改善结晶。因此，通过进一步制备增加厚度的薄膜如图4-2所示，观察到衍射峰的强度增加，晶体的结晶度变好。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s11不同浓度Mn掺杂ZnO薄膜的XRD图 图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s12增加了厚度的薄膜的XRD图ZnO薄膜的光学性能，尤其是透过率和吸收性能与其结构密切相关。图4-3为采用扫描电子显微镜（SEM）对在不同掺杂浓度和不同厚度下制备的掺杂ZnO薄膜的表面形貌进行的表征。观察发现，纯ZnO薄膜在500-700nm范围的透光率约为80%，当掺杂浓度增加至4.5%时，透光率仅为20%。薄膜透光率的降低意味着Mn离子的掺杂有效地增加了光子能量的吸收，说明掺杂效应可以有效改善薄膜的光吸收特性。此外观察发现，随着薄膜厚度的增加，透光率降低，这是因为薄膜裂纹造成了光损耗。而薄膜的裂纹导致整体缺陷浓度增加，从而使光能量间隙（Eg）下降，透光率降低。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s13掺杂ZnO薄膜在不同掺杂浓度和不同厚度下的SEM图；（a）掺杂0%；（b）掺杂1.5%；（c）掺杂3%；（d）掺杂4.5%综上所述，通过溶胶-凝胶法制备的Mn掺杂ZnO薄膜为六方纤锌矿结构，其晶体质量随着Mn离子杂质的引入而降低；薄膜的透光率随着掺杂浓度的增加而降低；随着薄膜厚度的增加，薄膜的结晶程度提高，裂纹增多，缺陷浓度增加，并且，由于薄膜表面晶化的改善和表面缺陷浓度的降低，薄膜具有更高的本征发射和更低的缺陷发射。喷雾热解法可以通过气相沉积、激光烧灼和溅射等物理技术或者喷雾热解、化学气相淀积、溶胶-凝胶等化学技术合成Mn掺杂ZnO薄膜。其中喷雾热解法是一种非常简单且低成本的方法，用于合成任何成分的薄膜[19]。Alejandra等人[19]采用喷雾热解法制备Mn掺杂ZnO薄膜的过程中，将2-水和乙酸锌和氯化锰作为Zn和Mn的源材料。首先将2-水和乙酸锌溶解在去离子水中，边搅拌边先后加入醋酸和乙醇，待全部溶解后加入氯化锰合成Mn掺杂ZnO薄膜。在衬底温度分别为400、450和500℃时进行沉积。用X射线衍射技术对不同衬底温度下的Mn掺杂ZnO薄膜进行研究分析的XRD图谱如图4-4所示。观察图可以发现纯ZnO薄膜和掺杂ZnO薄膜均为六方纤锌矿结构的多晶，且均沿c轴方向生长。此外在图中未观察到任何额外的衍射峰，这意味着Mn离子在ZnO中取代了Zn离子，所以纤锌矿结构保持不变。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s14掺杂ZnO薄膜的XRD图谱 图STYLEREF1\s46掺杂ZnO薄膜的透射光谱利用公式4.2对掺杂ZnO薄膜的晶格参数进行计算，结果如表4-1所示：1d（hkl）2=34h2+hk+k2a2+l对比表中数据，在任何衬底温度下，因为Mn2+的离子半径大于Zn2+，所以掺杂ZnO薄膜的晶格常数均比纯ZnO薄膜的大，当Mn2+掺入ZnO薄膜中后，薄膜的晶格常数也会随之增加。Mn掺杂ZnO薄膜在不同衬底温度下的表面形貌和晶粒尺寸的FESEM微观图如图4-5所示。观察图可以发现，所有样品的密度、尺寸、形状都随衬底温度的变化而变化。从图4-5（a）看到颗粒呈圆形颗粒状，此时衬底温度为400℃，随着温度升高到450℃时，粒子的形状开始发生变化，温度升高到500℃时，粒子的形状已经完全改变。而对各温度下的颗粒尺寸进行测量发现，颗粒的平均粒径逐渐增大。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11掺杂ZnO薄膜在不同温度下的晶格参数衬底温度（℃）a（nm）ZnOc（nm）ZnOa（nm）掺杂ZnOc（nm）掺杂ZnO4000.33570.54440.33620.54494500.33650.54310.33680.54435000.33720.54390.33750.5448图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s15掺杂ZnO薄膜的FESEM图（a-c）为400、450、500℃在同一衬底温度下沉积的掺杂ZnO薄膜在300-1100nm范围内的透射光谱如图4-6所示。观察光谱可以看到，薄膜的透明度很高，在衬底温度为500℃时制备的样品中观察到了接近100%的透光率。透射率随衬底温度的增加而发生变化，是因为光学散射的减小，这与材料