Er摻雜ZnO薄膜光學特性的研究

徐井華，崔 舒，劉成有

(通化師范學院 物理系，吉林 通化 134002)

ZnO是一種具有六角纖鋅礦結構的寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能卻高達60meV，由于具有如此大的束縛能，激子更易在室溫下實現高效率的激光發射，是一種適用于在室溫或更高溫度下應用的短波長發光材料.在ZnO中摻雜不同的金屬原子或離子，就可以改變ZnO的結構和帶隙寬度，使摻雜ZnO具有不同于本征ZnO的新特性.稀土金屬具有獨特的最外層電子結構，而且稀土金屬具有易分散和不可還原的特性，目前已逐漸成為p型ZnO薄膜摻雜體系研究的熱點[1，2].本文采用溶膠凝膠(sol-gel)法分別在普通載玻片和Si(P，100)片上生長了不同濃度的Er摻雜ZnO薄膜，研究不同濃度Er摻雜對ZnO薄膜的結構、紫外透射、室溫光致發光、表面形貌等的影響.

1 實驗

1.1 薄膜樣品的制備

首先根據摩爾比用電子天平稱量二水合乙酸鋅(CH3COO)2Zn·ZH2O和六水合硝酸鉺(EN(NO3)3·6H2O)溶于乙二醇(HOCH2CH2OH)中，再加入與金屬離子等摩爾的催化劑單乙醇胺(C2H7NO)，置于反應釜中于60℃條件下攪拌1h，形成無色透明均質溶膠，陳化72h后均勻涂膜，最后將樣品分別置于箱式電阻爐中退火，普通玻璃襯底退火溫度為550℃，Si襯底退火溫度為800℃，退火時間2h，隨爐冷卻至室溫，得到摻雜濃度分別為1%，2%，3%的Er摻雜ZnO薄膜.

1.2 薄膜樣品的分析與測試

樣品結構(XRD)表征采用X射線衍射儀.樣品室溫透射光譜(UVS)用紫外可見分光光度計進行測量，測量波長為200～800nm.光致發光光譜(PL)采用單色儀、激光器、CCD組合的光學系統進行測試.激發光源使用美國光譜物理公司生產的He-Ge激光器，激發波長325nm.樣品的表面形貌(AFM)采用日本精工生產的原子力顯微鏡進行測試.

2 結果與討論

2.1 Er摻雜ZnO薄膜X射線衍射譜分析(XRD)

圖1 不同摻雜濃度樣品800℃退火XRD圖譜

圖1是不同摻雜濃度樣品的XRD圖譜，衍射圖譜對應六角纖鋅礦ZnO多晶結構，未發現ZnO以外的晶體衍射峰，所有樣品的XRD譜線都有六個衍射峰，分別對應Zn0的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)和(103)衍射峰，且(100)、(002)、(101)三大衍射峰強度相當且均無明顯的擇優取向，而T.M.Williams[3]等人用PLD法在藍寶石襯底上制備的Er摻雜ZnO薄膜的XRD衍射圖譜表明薄膜具有沿(002)峰擇優生長的優勢.摻雜樣品的各個衍射峰的峰位隨著摻雜濃度的提高略向大角方向微移，這說明摻雜濃度的提高使ZnO薄膜的晶格常數變小.這是因為Er的摻入，在氧化鋅晶格中形成替位原子，產生了晶格畸變，影響到晶格常數，從而使氧化鋅晶格的大小發生改變，晶面間距發生變化，導致晶面對入射光線透射率的變化[4].

2.2 Er摻雜ZnO薄膜紫外透射光譜分析(UVS)

2(a)波長和透射率關系圖 2(b)能量和透射率關系圖

圖2是以載玻片為襯底的各摻雜濃度樣品550條件下退火的室溫透射光譜.從圖中可以看到，三個濃度的樣品在波長為380nm的紫外波段附近透射率急劇下降，存在明顯的紫外吸收邊，這與ZnO薄膜的帶寬(3.37eV)非常接近，因此可以認為我們所制備的Er摻雜ZnO薄膜具有良好的晶體結構.從圖2(a)中還可以看出隨著摻雜濃度的提高透射邊向短波方向移動，但移動的幅度較小，這表明稀土Er的摻雜使ZnO帶隙寬度略微增大.圖2(b)則給出了Er摻雜ZnO薄膜的具體帶隙寬度值，1%樣品帶隙寬度為3.33eV，2%的為3.34eV，3%的為3.35eV，可見隨著Er摻雜濃度的提高，ZnO薄膜的禁帶寬度發生了微小的藍移.

2.3 Er摻雜ZnO薄膜光致發光光譜分析(PL)

圖3 不同摻雜濃度樣品800℃退火PL圖譜

圖3為不同濃度下Er摻雜ZnO薄膜光致發光光譜.由圖可知樣品在吸收邊附近均有較強的紫外發射峰，樣品的紫外發光的強度都隨著摻雜濃度的提高而逐漸增強，而且紫外發光峰的峰位也出現了明顯的藍移現象，這與透射譜觀察到的現象相吻合.濃度為1%的樣品450nm～650nm的黃綠發光帶也明顯增強，說明此摻雜濃度下的樣品引入了大量的缺陷態.

2.4 Er摻雜ZnO薄膜表面形貌分析(AFM)

圖4是不同摻雜濃度樣品800℃下退火表面形貌圖，各樣品表面比較均勻平整有顆粒狀結晶生成，各樣品表面晶粒間結合緊湊，排列比較致密.可以看到，隨著摻雜濃度的提高，顆粒的尺寸逐漸減小.

圖4 不同摻雜濃度樣品800℃退火AFM圖

3 結語

用溶膠——凝膠法合成了Er摻雜的ZnO薄膜，主要研究了摻雜濃度對ZnO薄膜光學特性的影響，研究結果表明摻雜后的樣品仍為六角纖鋅礦結構，摻雜濃度提高時，XRD衍射峰明顯的向大角方向移動，摻雜樣品的透射邊則發生微小藍移，樣品的紫外發光峰向短波方向移動且強度逐漸增強，樣品表面較均勻平整，顆粒的尺寸逐漸減小.

參考文獻：

[1]Zhao X，Komuro S，Isshiki H et al.Fabrication and optical transition dynamics of Er-doped ZnO thin films[J].Journal of Luminescence，2000，(87-89):1254.

[2]文軍，陳長樂.RF濺射釹摻雜ZnO薄膜的結構與發光特性 [J].發光學報，2008，29 (5):856-861.

[3]T.M.Williams，D.Hunter，and A.K.Pradhan.Photoinduced piezo-optical effect in Er doped ZnO films [J].Applied Physics Letters,(2006)，89(4)：43116.

[4]張瑞芳.理論和實驗研究稀土摻雜對ZnO能隙的調控作用[D].內蒙古：內蒙古大學化學化工學院，2007，6.