【《喷雾热解法制备Al掺杂ZnO薄膜的方法分析》1700字】

喷雾热解法制备Al掺杂ZnO薄膜的方法分析根据文献，不同的沉积方法被用于制备不同形态的材料[3]，可以采用溶胶-凝胶法、化学沉积法、电沉积法、热分解法等不同的方法制备Al掺杂ZnO薄膜。然而，这些技术需要精密、复杂、昂贵的设备和强有力的实验条件且不适合大规模的薄膜制备。因此，极具吸引力的、易于使用和以最低成本获得高质量薄膜的喷雾热解方法被认为是制备大规模薄膜的有前途的候选方法[10]。此外，喷雾热解法不受污染、很容易纳入生产线适合于大规模生产。溶液雾化决定了液滴的大小和分布，在最终产品中起着决定性的作用，是喷雾热解法需要考虑的主要因素。通常Al掺杂是通过在前驱体溶液中直接加入适量的铝盐来实现[10]。AnitK.等人[12]在制备时采用高纯度的[ZnCl2]和[AlCl3.6H2O]分别作为锌和铝的前驱体，蒸馏水作为氧化剂。首先将[ZnCl2]溶解在蒸馏水中，得到均匀溶液后分别加入浓度为0wt%、2wt%、6wt%的[AlCl3.6H2O]，然后采用喷雾热解技术在碱石灰玻璃衬底上沉积得到纯ZnO薄膜和掺杂Al的ZnO薄膜。图2-6为采用X射线衍射分析掺杂ZnO薄膜的结构参数的XRD谱图。从图中观察到不同的衍射峰，证明了薄膜的多晶性质。采用公式计算掺杂ZnO薄膜主峰(002)面所对应的晶粒尺寸，计算值如表2-2所示。由表2-2可知，随着Al掺杂浓度的增加，晶粒尺寸从27.8nm减小到22.7nm，说明Al掺杂改变了ZnO薄膜的形状和晶粒尺寸。利用公式2.3计算了六方结构ZnO薄膜的晶格参数a、c：1d2=43h2+hk+k2a2+l2c2 式中，d为指数（hkl）的面间距，a、c取值分别为a=λβ.cosθ=0.9λD+4.ε.sinθ (其中β为X射线衍射峰的半峰宽，θ为布拉格角，λ为X射线波长，D为晶体尺寸。计算值如表2-2列3所示。观察数据得出Al离子的掺杂会导致晶格缺陷增加，晶格应变增大，由此导致了ZnO薄膜结晶度的下降。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11对掺杂ZnO薄膜进行X射线衍射分析的XRD谱图表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11对掺杂ZnO薄膜晶格参数的计算掺杂浓度平均晶粒尺寸D（nm）晶格应变ε（×10-3）晶格参数（Å）c/a比带宽Eg（eV）ac纯ZnO28.81.903.2385.2091.6093.142%Al26.21.963.2075.1571.6083.045%Al25.62.583.1715.0931.6063.0010%Al22.72.883.1525.0461.6012.74图2-7为采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）研究的掺杂ZnO薄膜的表面形貌。观察图可以发现随着掺杂Al浓度的增加，ZnO薄膜表面颗粒的形状由不规则的图形逐渐转变为规则的六角形。且随着Al掺杂浓度的增加，晶体颗粒分布变得均匀，粒径减小。这与X射线衍射仪得出的结论一致。图2-8为采用紫外-可见光谱法在300-1100nm波长范围内获得的掺杂ZnO薄膜的透射光谱。观察图可以发现纯ZnO薄膜的最大透光率为73%，ZnO薄膜的透光率随着Al3+的掺杂开始降低。研究发现纯ZnO薄膜具有较高的透光率是因为其具有的较高的结晶性。在前面XRD分析中得到了Al离子的掺杂会导致晶格缺陷增加，晶格应变增大，所以ZnO薄膜的结晶度下降，导致晶界密度增加，进而使光散射增加，透射光减少，所以掺杂ZnO薄膜的透光率会随掺杂Al离子含量的增大而减小。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12用FESEM研究的掺杂ZnO薄膜表面形貌（a）纯ZnO；（b）掺杂2%；（c）掺杂5%；（d）掺杂10%图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13掺杂ZnO薄膜的透射光谱用公式2.5计算了样品的光学能带间隙(Eg)：αhνn=Ahν−Eg (STYLEREF1\s2.SEQ(\*ARABIC\s13其中A为关系常数，α为吸收系数，hν为入射光子能量，n是一个常数(直接带隙为2，间接带隙为½)。用n=2计算了所有薄膜样品的光学能带隙，如表2-2列7所示。观察表格数值发现，随着Al掺杂浓度增加，掺杂ZnO薄膜的能带隙从3.14eV减小到2.74eV。纯ZnO薄膜的光能带隙为3.14eV，低于理论值3.37eV，是由于前驱体的热处理和样品制备时温度引起的结构缺陷。由于Zn的电负性比Al高，能带隙减小，在掺杂ZnO薄膜中晶粒吸收了Al3+产生了缺陷位，所以造成了电负性差异。而这些位点缺陷产生了扩展的缺陷水平，推动帷幔带向上移动，传导带向下移动，造成带隙缩小。所以掺杂ZnO薄膜中的缺陷态造成了光学带隙随着Al3+掺杂浓度的增加而减小。综上，采用喷雾热解法制备的Al掺杂Zn