溶膠-凝膠法制備Li摻雜ZnO納米薄膜及其表征

　　采用溶膠-凝膠法在玻璃基底上制備了ZnOBLi 薄膜。研究了薄膜厚度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及光電性能的影響，結(jié)果表明：所有薄膜均由具有c 軸優(yōu)先生長取向的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO 晶體構(gòu)成，晶體的粒徑隨厚度的增加先增大而后減��；薄膜的方阻隨厚度的增加先減小后增大，當(dāng)薄膜厚度為6 層時(shí)，可獲得最低方阻；所有薄膜均是透明的，在可見光區(qū)的平均透光率> 80%；薄膜具有較強(qiáng)的紫外、綠光發(fā)光特性以及微弱的藍(lán)光發(fā)光特性，隨著薄膜厚度的增加，三種發(fā)光峰逐漸增強(qiáng)。

　　ZnO 薄膜是一種新型的II-IV 族寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.37 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 具有材料來源非常豐富、價(jià)格低廉、無毒、化學(xué)穩(wěn)定性較高、易實(shí)現(xiàn)摻雜等優(yōu)點(diǎn)，因此在透明電極、平板顯示器和太陽能電池領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，許多薄膜制備技術(shù)可以用于ZnO薄膜的生長，包括有磁控濺射(Magnetron Sputtering) 、脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition) 、化學(xué)氣相沉積(CVD) 、噴霧熱解(Spray Pyrolysis) 、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) 、溶膠-凝膠法( So-lGel) 等。其中，溶膠-凝膠法( So-lGel) 具有成膜均勻性好，與襯底附著力強(qiáng)，易于原子級(jí)摻雜，可精確控制摻雜水平等優(yōu)點(diǎn)，而且無需真空設(shè)備，工藝簡單，正受到薄膜研究人員的廣泛注意。

　　摻雜可以有效的改進(jìn)半導(dǎo)體的光電特性。摻雜Al 元素制備出了性能良好的ZnO 薄膜和透明電極，Mg 摻雜可以改變ZnO 薄膜的禁帶寬度，提高光學(xué)性能，摻雜Co，Ni，Mn 等可以制備出磁性材料，Pd 或Ag 摻雜ZnO 納米粒子的光催化活性大幅度提高。而有關(guān)堿金屬摻雜ZnO 薄膜研究的報(bào)道比較少，有待進(jìn)一步探索。本文采用溶膠-凝膠法在石英玻璃襯底上使用旋涂法生長了結(jié)晶質(zhì)量高、取向性好的ZnOBLi 薄膜，并著重研究了薄膜厚度對(duì)ZnOBLi 薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)中采用的原料為分析純的乙酸鋅(Zn( CH3COO ) 2# 2H2O) 、無水乙醇( C2H5O ) 、乙醇胺( C2H7NO) 和氯化鋰( LiCl) 。稱取10 g Zn( CH3COO) 2#2H2O，溶解于60 mL 無水乙醇，加入與Zn2+ 摩爾比為1B1 的乙醇胺作穩(wěn)定劑，60 ℃回流攪拌1 h 后，再分別加入一定摩爾比的氯化鋰( LiCl ) 粉末，60 e 回流攪拌1 h。然后在空氣中靜置陳化5 d，得到不同摻雜的鋅溶膠。實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)涂覆技術(shù)制備薄膜，基底為拋光石英玻璃。鍍膜前，基底依次用洗潔劑、濃鹽酸、丙酮、無水乙醇、去離子水各超聲清洗15min 后在加熱平臺(tái)上烘干。在勻膠機(jī)上先以1000 r/min 勻膠12 s，再以4000 r/min 勻膠30 s，置于加熱平臺(tái)上300 ℃干燥10 min。為了使薄膜達(dá)到一定的厚度，上述過程分別重復(fù)4、6、8 次。最后用SX-4-10箱式電阻爐，在600 ℃大氣環(huán)境下退火1 h。

　　采用D/max-RA 型X 射線衍射( XRD) 儀表征薄膜的物相組成和結(jié)晶情況，Cu 靶，K A輻射源( K=0.154056 nm) ，工作電壓為40 kV，工作電流為36mA。采用QuanTA-200F 型環(huán)境電子掃描電子顯微鏡( SEM) 分析薄膜的表面形貌。采用紫外-可見分光光度計(jì)(Perkin Elmer Lambda 750) 分析薄膜的光學(xué)性能。采用偏振穩(wěn)態(tài)熒光光譜儀( Nicolet F-7000) 分析薄膜的光致發(fā)光效果。采用KDY-1 型四探針電阻率/ 方阻測(cè)試儀分析薄膜的電學(xué)性能。

3、結(jié)論

　　采用溶膠-凝膠法在石英玻璃上制備了ZnOBLi薄膜，主要研究了薄膜厚度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、光電性能的影響，結(jié)果表明： 薄膜樣品的生長具有明顯的(002)方向的擇優(yōu)取向，隨著薄膜厚度的增加，XRD 圖譜中衍射峰的強(qiáng)度先增大后減小。薄膜的晶粒隨薄膜厚度先增加而后減小。薄膜方阻隨厚度的增加有先減小后增大的變化趨勢(shì)，而厚度為6 層的薄膜方阻最小，導(dǎo)電性能最好。隨薄膜厚度增加，薄膜透射率逐漸減小，薄膜的紫外吸收邊發(fā)生了紅移，意味著薄膜的光學(xué)禁帶寬度減小。在325 nm 波長激發(fā)源的激發(fā)下，薄膜樣品具有較強(qiáng)的紫外、綠光發(fā)光特性以及微弱的藍(lán)光發(fā)光特性，隨著薄膜厚度的增加，三種發(fā)光峰逐漸增強(qiáng)。