熱蒸發(fā)制備Zn/ZnO薄膜的實驗研究

曾永平 陶淑芬 徐利兵 楊紅磊

（曲靖師范學院物理與電子工程學院 云南 曲靖 655011）

熱蒸發(fā)制備Zn/ZnO薄膜的實驗研究

曾永平 陶淑芬 徐利兵 楊紅磊

（曲靖師范學院物理與電子工程學院 云南 曲靖 655011）

本文采用低真空熱蒸發(fā)技術，以鋅作為蒸發(fā)源，通過調節(jié)蒸發(fā)時間，蒸發(fā)溫度，真空度等工藝參數，在玻璃基底上獲得薄膜樣品，再對薄膜進行退火處理。實驗結果表明：采用低真空蒸發(fā)鍍膜法可以制備得到取向很好的Zn（002）單晶薄膜，薄膜樣品在450℃真空條件下做退火處理后，進一步提高金屬鋅膜薄膜單晶性；樣品經300℃大氣下退火處理后，可得取向（101）的強織構ZnO結構。

熱蒸發(fā)鍍膜法；ZnO薄膜；退火處理；晶體結構

0 引言

ZnO是一種合適的用于室溫或高溫下的紫外光發(fā)射材料，是一種具有很大潛力和應用價值的紫外半導體光電器件材料[2]。ZnO室溫禁帶寬度為3.37eV，發(fā)射波長相應于近紫外368 nm。ZnO和GaN具有相同的晶體結構、相近的晶格常數和禁帶寬度，而且具有更高的熔點（1975℃），高熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性等優(yōu)點。ZnO薄膜可以在低于500℃的生長溫度下獲得，比 GaN等其他材料的制備溫度低很多，而且 ZnO原材料資源豐富、價格低廉，無毒無污染，是一種經濟的綠色環(huán)保型材料[1]。

ZnO作為近年來發(fā)展起來的近紫外發(fā)光材料，目前已成為熱門的研究課題。研究發(fā)現，其顯著優(yōu)點是在紫外波段存在著受激發(fā)射特性，由于天然存在著缺陷其在可見光區(qū)域也存在著受激發(fā)射特性，例如黃綠光發(fā)射。在研究ZnO發(fā)光的過程中人們發(fā)現ZnO還可發(fā)射紅光、橙光、黃光和紫光。氧化鋅材料另一個顯著特性是在0.4-2微米波長范圍內是透明的，可見光透射率高達90%，具有壓電光電效應，因而提供了將電學、光學和聲學器件，如光源、探測器、調制器、光波導、濾波器及相關電路等單片集成的可能性。

另一方面，真空鍍膜實驗是大學近代物理實驗的一個傳統(tǒng)實驗項目。傳統(tǒng)以及現代技術上，一些光學零件的光學表面需要用物理或化學方法鍍上一層或多層薄膜，使得光線經過該表面的反射或透射特性發(fā)生變化，機械加工所采用的刀具以及零部件的表面處理都與鍍膜技術密切相關。圍繞學生的綜合能力、初步設計能力及創(chuàng)新意識培養(yǎng)目標，開展膜制備的綜合性設計性實驗研究，在保證教學基本要求的同時,實現與課程設計、課外科技活動、綜合訓練相結合，本工作作為結合大學近代物理實驗的一個綜合性設計性實驗項目，主要采用熱蒸鍍的方法結合簡單的熱處理技術制備Zn-ZnO薄膜材料.獲得了一些值得注意的成果。

1 Zn-ZnO薄膜的制備及熱處理

本實驗采用?？祫?chuàng)業(yè)（北京）科技有限公司生產的FZJ-Z350A型多功能鍍膜機真空鍍膜機進行薄膜的制備、熱處理采用合肥科晶材料技術有限公司生產的GSL-1500X型真空管式退火爐、純度達99.9%的金屬鋅片及玻璃基片由昆明化玻有限公司提供。

1.1 熱蒸發(fā)鍍膜

由于真空蒸發(fā)法或真空蒸鍍法主要物理過程是通過加熱蒸發(fā)材料而產生,所以又稱熱蒸發(fā)法[9]。

電流加熱使材料蒸發(fā)成為原子或分子，它們隨即以較大的自由程作直線運動，碰撞基片表面而凝結，形成一層薄膜.在真空鍍膜中，飛抵基片的氣化原子或分子，除一部分被反射表面上.被吸附的原子或分子在基片表面上進行擴散運動，一部分在運動中因相互碰撞而結聚成團，另一部分經過一段時間的滯留后，被蒸發(fā)而離開基片表面.聚團可能會與表面擴散原子或分子發(fā)生碰撞時捕獲原子或分子而增大，也可能因單個原子或分子脫離而變小.當聚團增大到一定程度時，便會形成穩(wěn)定的核，核再捕獲到飛抵的原子或分子，或在基片表面進行擴散運動的原子或分子就會生長.在生長過程中核與核合成而形成網絡結構，網絡被填實即生成連續(xù)的薄膜.顯然，真空度的大小、基片的表面條件（例如清潔度和不完整性）、基片的溫度以及薄膜的沉積速率都將影響薄膜的質量.此方法易操作且成本低廉，適合用于大規(guī)模工業(yè)生產。

如圖1所示，鋅粒在坩堝上被加熱后以粒子狀向四周飛濺，而位于正上方的基底下側就會有粒子在上面形成團，隨著粒子團越來越大，就會在基底上形成一層薄膜。而粒子在飛到基底的過程中，有的鋅原子與氧原子結合形成氧化鋅，這樣在基底上形成的膜就由鋅和氧化鋅混合組成。

為了研究真空度、加熱時間、、加熱電流、對于薄膜性能的影響。實驗中分別選用真空度分別選用10Pa、5 Pa、1 Pa；加熱時間分別選用60s、30s、15s；加熱電流分別選用45A、55 A、65 A、75 A；依次組合進行實驗。

圖1 蒸發(fā)鍍膜實驗示意圖

1.2 退火處理

為了研究在退火環(huán)境和溫度對于薄膜性能的影響，在退火中選用真空環(huán)境和大氣環(huán)境；將同一塊樣品進行分割成小塊，進行不同條件下的退火處理,退火溫度為200℃、300、400;依次組合進行實驗。

2 樣品的檢測分析及簡要討論

抽取部分實驗樣品進行X射線衍射分析。X射線衍射（XRD）分析在TD-3500 X射線衍射儀上進行，測試條件為Cu靶,10kV，步進0.02°,1°/min,θ～2θ聯(lián)動系統(tǒng)探測范圍：15°～80°;計算機控制數據處理;廣角測量儀,閃爍記數器。圖2至圖4的XRD圖譜分析比較了10Pa低真空條件下熱蒸發(fā)60s制備的樣品以及在大氣下300℃退火處理和在真空下450℃退火處理的樣品結構情況。

圖2 熱蒸發(fā)鍍制薄膜原始#樣品的XRD圖譜

圖3 樣品在大氣氛圍3000C條件下退火處理

圖4 樣品在真空下4500C退火處理的XRD圖譜

如圖2，低真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備得到主要取向為（002）的強織構Zn多晶薄膜，薄膜的其他取向（100）、（101）以及（211）衍射峰較主峰要弱很多（相對強度僅為千分之幾）。對薄膜樣品在450℃真空條件下做退火處理，與圖5.1比較可知，Zn（110），（101）及（211）取向結構都已經消失了，只有Zn（002）取向的單晶結構，這是一個非常有意思的現象。

樣品經300℃大氣下退火處理后，得到了Zn-ZnO混合結構，除了Zn（002）成分外，還生成ZnO（002）、ZnO（101）、ZnO（213）三個方向的氧化鋅多晶結構，其中以ZnO（101）的含量為最高。說明大氣氛圍下的退火處理可以獲得擇優(yōu)取向生長氧化鋅ZnO（101）多晶結構。

3 結論

3.1 即使在亞真空情況下的熱蒸鍍仍可獲純度較高的Zn多晶薄膜；

3.2 在實驗條件下獲得的Zn膜是一種具（002）取向的強織構特征；

3.3 真空情況下Zn膜的在450℃熱處理會在織構方向上實現取向的純化；

3.4 樣品經300℃大氣下退火處理后，可得取向（101）的強織構ZnO結構。

［1］鄧磊雷.ZnO薄膜的制備及其特性研究[D].廈門：廈門大學，2007.

［2］陳素果.納米ZnO薄膜的制備及其光學特性的研究[D].西安：西北大學，2005.

［3］鄧允棣.氧化鋅摻雜的研究進展[J].科協(xié)論壇,2007(7)：51.

［4］晏伯武.P型氧化鋅薄膜的制備[J].中國陶瓷,2009,45(4)：13.

［5］藍鎮(zhèn)立.P-MBE法生長ZnO薄膜及其結構和光學特性的研究[D].北京：北京交通大學圖書館,2006.

［6］李勇,馬書懿,李錫森,等.氧化鋅薄膜的制備技術[J].甘肅科技,2009,25（6）：73.

［7］樓曉波.ZnO薄膜的制備與性能分析[D].南京：南京航空航天大學,2008.

［8］李丹.電化學沉積制備ZnO納米晶薄膜及其性能研究[D].南京：南京航空航天大學，2008.

［9］高雁.影響真空蒸發(fā)鍍膜膜厚的因素分析[J].太原科技,2008(9)：78.

［10］杜丕一,潘頤.材料科學基礎[M].北京：中國建材出版社，2003：1.

陶淑芬，副教授，主要研究方向為近代物理實驗和低維材料制備。

曲靖師范學院實驗教學改革項目立項資助200905。

曹明明］