本文關(guān)鍵詞：脈沖激光沉積法制備SnO外延薄膜及其性能研究

  更多相關(guān)文章： 脈沖激光沉積(PLD) SnO外延薄膜 拉曼特性 光學(xué)帶隙 厚度依賴特性

【摘要】：SnO作為一種典型的氧化物半導(dǎo)體材料,表現(xiàn)為獨(dú)特的本征p型導(dǎo)電,在作為鋰離子電池電極材料以及制備p型溝道場效應(yīng)薄膜晶體管(TFTs)方面極具應(yīng)用前景。但是和眾多n型氧化物半導(dǎo)體材料相比,SnO的p型導(dǎo)電機(jī)制及其相關(guān)性能的研究還不是很深入,這主要是缺乏高質(zhì)量的SnO樣品作為研究對象。而制備高質(zhì)量SnO薄膜是深入研究其相關(guān)性能的前提,因此系統(tǒng)研究SnO的外延生長工藝具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。本論文提出采用脈沖激光沉積(PLD)法濺射金屬Sn靶,以O(shè)2為反應(yīng)氣體,在r面藍(lán)寶石上制備SnO外延薄膜。系統(tǒng)研究了沉積氧壓和襯底溫度對SnO外延薄膜生長的影響,以及SnO外延薄膜的厚度依賴特性。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:首先,我們研究了沉積氧壓對SnO外延薄膜生長的影響,通過調(diào)節(jié)氧壓實(shí)現(xiàn)了 SnO和SnO2兩種外延薄膜的制備,確定了在575℃下制備(001)取向的SnO外延薄膜的最佳氧壓為0.3 Pa。XRD表征測試結(jié)果表明SnO薄膜與r面藍(lán)寶石的外延關(guān)系為:SnO(001)//Al2O3(1012)和 SnO(110)//Al2O3(1120)。XPS 價(jià)帶結(jié)構(gòu)測試顯示 SnO 和 SnO2 薄膜分別表現(xiàn)出p型和n型半導(dǎo)體材料的價(jià)帶電子結(jié)構(gòu)特征。拉曼光譜測試表明(001)取向的SnO外延薄膜的拉曼譜僅出現(xiàn)A1g振動模,而E1g不出現(xiàn)。其次,我們進(jìn)一步研究了溫度對SnO外延薄膜生長的影響,得到了生長SnO薄膜的溫度窗口為400-600℃,且575℃左右為生長SnO外延薄膜的最佳溫度。當(dāng)襯底溫度達(dá)650℃時(shí),薄膜處于由SnO相向SnO2相轉(zhuǎn)變的過渡態(tài),并出現(xiàn)了中間相Sn3O4。隨著溫度進(jìn)一步升高到700℃,SnO相完全消失,完成了 2SnO→SnO2+Sn的轉(zhuǎn)變。研究表明,生長溫度也直接影響薄膜的表面均方根粗糙度。隨著溫度的升高,薄膜的表面均方根粗糙度逐漸減小,在不發(fā)生相變的前提下,高溫更利于SnO薄膜的生長。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也表明,SnO薄膜的光學(xué)帶隙受溫度的影響較小,隨著溫度的變化基本不變。最后,我們制備了厚度從3.54 nm到60.88 nm的一系列SnO外延薄膜,研究了其厚度依賴特性。XRD測試結(jié)果表明:我們得到的SnO外延薄膜在c方向上的相干長度為19nm。薄膜生長初期,晶格常數(shù)表現(xiàn)為面內(nèi)晶格常數(shù)a膨脹,而面外晶格常數(shù)c壓縮;隨著厚度的增加,a逐漸收縮后穩(wěn)定在3.807 A,而c則先逐漸膨脹后穩(wěn)定在4.867A,最終均趨向于SnO塊體材料的晶格常數(shù)值。對于超薄膜,SnO(002)面搖擺曲線半高寬均在0.1°左右,表明晶體的面外原子排列規(guī)整,結(jié)晶質(zhì)量高;當(dāng)厚度增加到超過相干長度時(shí),(002)面搖擺曲線半高寬急劇增到0.48°及以上,薄膜因缺陷密度增加而表現(xiàn)為結(jié)晶質(zhì)量有所下降。薄膜的光學(xué)性質(zhì)研究表明,超薄薄膜的光學(xué)帶隙出現(xiàn)了由量子尺寸效應(yīng)引起的藍(lán)移,當(dāng)厚度從25.61 nm減小到3.54 nm時(shí),帶隙從2.64 eV增加到2.89 eV。通過進(jìn)一步分析,我們也得到SnO塊體材料光學(xué)帶隙Eg(R→∞)為2.66 eV,電子的有效質(zhì)量為me*=0.133me,以及SnO的激子直徑為63.4A。這些基本物理常數(shù)系首次通過實(shí)驗(yàn)的方式得到,對于人們進(jìn)一步了解認(rèn)識SnO具有理論指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：脈沖激光沉積(PLD) SnO外延薄膜 拉曼特性 光學(xué)帶隙 厚度依賴特性
【學(xué)位授予單位】：湖北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ134.32;TB383.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 SnO的基本性質(zhì)及其應(yīng)用11-16
• 1.2.1 SnO的晶體結(jié)構(gòu)11-12
• 1.2.2 SnO的導(dǎo)電機(jī)制12-13
• 1.2.3 SnO電學(xué)性質(zhì)13-14
• 1.2.4 SnO薄膜的應(yīng)用14-16
• 1.3 SnO薄膜的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3.1 SnO外延薄膜的生長技術(shù)研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3.2 SnO薄膜相關(guān)性質(zhì)的研究現(xiàn)狀17-18
• 1.4 本課題的選題思路及主要研究內(nèi)容18-19
• 第2章 薄膜制備工藝及表征方法19-33
• 2.1 半導(dǎo)體薄膜的外延生長技術(shù)簡介19-21
• 2.1.1 溶膠-凝膠法(Sol-gel)19-20
• 2.1.2 磁控濺射法(MS)20
• 2.1.3 電子束蒸發(fā)法(EBE)20-21
• 2.1.4 脈沖激光沉積法(Pulsed Laser Deposition,PLD)21
• 2.2 脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)21-26
• 2.2.1 PLD法概述21-22
• 2.2.2 PLD原理22-23
• 2.2.3 PLD的特點(diǎn)23-24
• 2.2.4 實(shí)驗(yàn)所用PLD設(shè)備簡介24-26
• 2.3 SnO薄膜的PLD法制備工藝26-27
• 2.4 SnO薄膜的表征測試方法27-33
• 2.4.1 X射線衍射(XRD)27-29
• 2.4.2 原子力顯微鏡(AFM)29
• 2.4.3 紫外-可見分光光度計(jì)(UV-vis)29-31
• 2.4.4 X射線光電子能譜儀(XPS)31-32
• 2.4.5 拉曼光譜(Raman)32-33
• 第3章 沉積氧壓對SnO薄膜生長的影響33-47
• 3.1 樣品的制備33-34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論34-46
• 3.2.1 沉積氧壓對薄膜相結(jié)構(gòu)的影響34-36
• 3.2.2 沉積氧壓對薄膜表面形貌的影響36-37
• 3.2.3 不同氧壓條件下沉積薄膜的化學(xué)價(jià)態(tài)及價(jià)電子結(jié)構(gòu)的表征37-40
• 3.2.4 不同氧壓條件下沉積薄膜的光學(xué)性質(zhì)的表征40-42
• 3.2.5 SnO外延薄膜的拉曼振動特性研究42-46
• 3.3 本章小結(jié)46-47
• 第4章 襯底溫度對SnO薄膜生長的影響47-59
• 4.1 樣品的制備47-48
• 4.2 襯底溫度對SnO薄膜相結(jié)構(gòu)及性能的影響48-53
• 4.2.1 襯底溫度對薄膜相結(jié)構(gòu)的影響48-51
• 4.2.2 襯底溫度對沉積SnO薄膜表面形貌的影響51-52
• 4.2.3 襯底溫度對沉積SnO薄膜光學(xué)性能的影響52-53
• 4.3 中間相相結(jié)構(gòu)的研究53-58
• 4.3.1 直接沉積的含中間相Sn_xO_y樣品的相結(jié)構(gòu)表征54-56
• 4.3.2 含中間相Sn_xO_y樣品原位變溫拉曼表征56-57
• 4.3.3 含中間相Sn)xO_y樣品變溫拉曼測試后的相結(jié)構(gòu)表征57-58
• 4.4 本章小結(jié)58-59
• 第5章 SnO外延薄膜的厚度依賴特性研究59-69
• 5.1 樣品的制備59-60
• 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論60-68
• 5.2.1 不同厚度SnO薄膜相結(jié)構(gòu)的表征60-62
• 5.2.2 薄膜厚度對SnO薄膜晶格常數(shù)的影響62-64
• 5.2.3 不同厚度SnO薄膜的Raman表征64-65
• 5.2.4 不同厚度SnO薄膜表面形貌的表征65-66
• 5.2.5 薄膜厚度對SnO薄膜光學(xué)帶隙的影響66-68
• 5.3 本章小結(jié)68-69
• 全文總結(jié)69-71
• 參考文獻(xiàn)71-78
• 附錄78-79
• 致謝79

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