使用磁控濺射法在石英基底上制備鉬摻雜氧化鋅薄膜。掃描電鏡結(jié)果表明薄膜由晶粒大小為40~ 80 nm 范圍內(nèi)的顆粒組成, 薄膜具有六方纖鋅礦型結(jié)構(gòu)且沿c 軸擇優(yōu)取向生長。在可見光范圍( 400~ 760 nm) 內(nèi)所有薄膜的平均光透射率超過90%。退火薄膜的光致發(fā)光( PL) 光譜表明, 退火處理對發(fā)光峰的位置有很大影響, 隨著退火溫度的增加, 發(fā)光峰位置從380 nm 紅移至400 nm 或從470 nm 紅移至525 nm。此外, 鉬摻雜對退火薄膜PL 光譜的強(qiáng)度影響很大。我們認(rèn)為, 薄膜中缺陷濃度的變化是導(dǎo)致發(fā)光峰紅移的主要原因, 討論了PL 譜中不同的可見光的發(fā)光機(jī)制。

　　作為具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的N 型半導(dǎo)體材料代表,在室溫下, 氧化鋅的禁帶寬度約為3.37 eV 和具有較大的激子結(jié)合能為60 meV, 其納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光特性及其在短波光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用已引起人們高度關(guān)注。氧化鋅作為發(fā)光材料已有近一個世紀(jì)的歷史, 其大于3.2 eV 的紫外發(fā)光是人們已經(jīng)熟知的, 但對于帶間的可見熒光的發(fā)光機(jī)制尚沒有定論。通常氧空位、鋅空位、氧錯位、雜質(zhì)離子都可形成可見光發(fā)射的復(fù)合中心, 從而可觀察到紫光、藍(lán)光、綠光, 黃橙光發(fā)射。然而這些可見光發(fā)射與各復(fù)合中心的關(guān)系目前仍存在較大爭議。

　　在氧化鋅晶體中, 以替位形式摻入的高價的鉬離子相較于低價的摻雜原子( 如鋁原子等) , 將更強(qiáng)烈地影響周圍原子的電子分布, 并導(dǎo)致晶格的變化,從而可能在氧化鋅的禁帶中引入未知的能級, 影響氧化鋅的發(fā)光性能。真空技術(shù)網(wǎng)(http://lu714.com/)認(rèn)為這需要在實(shí)驗(yàn)上對鉬摻雜氧化鋅薄膜的發(fā)光性能進(jìn)行測試表征, 從而揭示鉬摻雜對氧化鋅發(fā)光性能的影響。本文在室溫下通過磁控濺射技術(shù)在石英襯底上制備不同鉬含量摻雜氧化鋅薄膜。分析鉬摻雜對ZnO 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響, 并對退火ZnO 薄膜的光致發(fā)光譜( PL)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

　　在室溫下采用射頻磁控濺射在石英襯底上制備了鉬摻雜氧化鋅薄膜。首先, 將ZnO( 純度99.99% )和MoO₃ ( 純度99.99%) 粉末以五種不同的配比混合、燒結(jié)制備成不同Mo 組分摻雜的ZnO 靶材, 五個靶中MoO3 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0% , 1%, 2%, 3% 和4% 。其次, 利用磁控濺射儀制備一系列不同Mo 組分的ZnO 薄膜, 制備條件如下: 本底真空度為8×10^-4 Pa, 濺射氬氣壓為0.7 Pa, 射頻濺射能量密度為1.8W/ cm², 鍍膜時間為60 min。最后對所制備薄膜進(jìn)行一系列表征: 使用壓力表面輪廓儀( XP-1, Ambios)進(jìn)行膜厚度測量; 使用掃描電子顯微鏡( SEM) 和能量色散X 射線探測器( EDX, Hitachi S-4800) 檢測薄膜表面形貌和成分; 使用X 射線衍射( XRD) 儀分析薄膜的微觀結(jié)構(gòu); 使用雙光束分光光度計(UV-2550,Shimadzu) 測量薄膜的透射率; 使用熒光光譜儀( H-itachi F-4500) 測定薄膜的PL 譜。

圖1 MZO 薄膜的SEM 圖

　　使用磁控濺射法在石英基底上制備了鉬摻雜氧化鋅薄膜。SEM 和XRD 結(jié)果表明, 薄膜微結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸明顯受鉬摻雜的影響。所有薄膜對光的平均透過率較高。ZnO 薄膜的PL 譜表明, 隨著退火溫度的增加, 發(fā)光峰位置從380 nm 紅移至400 nm 或從470 nm 紅移至525 nm。鉬摻雜顯著影響PL 譜強(qiáng)度。認(rèn)為薄膜中缺陷濃度的變化是導(dǎo)致發(fā)光峰紅移的主要原因。400 和525 nm 兩個主發(fā)光峰應(yīng)分別歸結(jié)為電子從導(dǎo)帶到VZn和Oi缺陷的躍遷。