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阴极电沉积法制备 ZnO 薄膜

(理学院,材料科学与工程系,材料科学与工程专业谢红丝)
(学号:2000143036)

内容提要:采用阴极电沉积方法,以含锌盐的水溶液作为电解液,分别在不锈钢和 ITO
导电玻璃衬底上制备了 ZnO 薄膜样品,用 X 射线衍射对样品进行了表征。研究了电势、电
流密度、锌盐种类和浓度以及衬底等因素对薄膜质量和组成的影响。实验结果表明,当衬底
和 ZnO 的性质相近时,得到的薄膜质量较好。过电势和电流密度过小时,不易得到均匀的
ZnO 薄膜;过电势和电流密度过大时,由于析氢反应的影响,得到的薄膜会出现“起皮”和脱
落现象;在中等过电势和电流密度下,可以得到质量较好的 ZnO 薄膜。以 ZnCl2 溶液作为
电解液时,如果 Zn2+ 浓度过高,得到的不是 ZnO 薄膜,而是碱性氯化锌。
关键词:阴极电沉积;制备;ZnO;薄膜
教师点评:谢红丝同学的论文从实验上探讨了沉积电势、电流密度、锌盐种类和浓度以
及衬底等因素对电沉积 ZnO 薄膜质量和组成的影响,对实验结果从理论上进行了分析,并
在此基础上制备了质量较高的 ZnO 薄膜。该论文思路清晰,方法正确,实验结果真实、可
靠,结论明确,是一篇优秀的毕业论文。(点评教师:柳文军,讲师)

1. 引言
. ZnO 材料概况
氧化锌(ZnO)为纤锌矿晶体结构,室温下的禁带宽度为 ,是一种具有六方结构
的宽带隙半导体材料。本征 ZnO 薄膜的电阻率高于 108 Ω·cm,改变生长、掺杂或退火条件,
可形成简并半导体,导电性能大幅度提高,电阻率可降低到 10−2 Ω·cm 数量级。
ZnO 薄膜的高电阻性与单一的 C 轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电
耦合系数,可用作各种压电、压光、电声与声光器件。利用气体分子在 ZnO 薄膜表面吸附
和解析引起光电导变化的特点,也可制作表面型气敏元件。ZnO 薄膜在可见光范围内光透
过率高达 90%,可以用作优质的太阳电池透明电极,然而它在紫外光和红外光光谱范围内
有强烈的吸收作用,使其被利用作为相应光谱区的阻挡层。
ZnO 薄膜材料本身无毒性,制备温度低,工艺相对简单,易于实现掺杂,各种制备方
法所用的原料都易得、廉价,因此发展潜力极大。目前,已研究开发的 ZnO 薄膜生长技术
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中,磁控溅射和喷雾热分解应用较为广泛和成熟,而脉冲激光沉积、分子束外延等真空沉积
工艺以及溶胶-凝胶等液相生长技术也得到了有效应用,且在不断的研究开发之中。下面简
单介绍几种制备 ZnO 薄膜的方法。
. 射频溅射法[1]
射频溅射法(Ratio Frequency Sputtering)是以 Zn 或 ZnO 为靶,在 O2 或 O2/Ar 气氛下,
利用射频或磁控射频以 ZnO 形式沉积到基片上的方法。本法的优点是可快速制备出一定厚
度的纳米 ZnO 薄膜,缺点是不易进行掺杂。由于该法溅射粒子流能量较高,对生长中的薄
膜会造成某种损害,并可能最终影响薄膜的某方面性质,如利用溅射法制备 ZnO 薄膜场发
射显示器材料时,因溅射损伤,会降低显示质量。
. 喷雾热分解[2]
喷雾热分解(Spray Pyrolysis) 是由制备透明电极而发展起来的一种方法。此法制备 ZnO
薄膜一般以溶解在醇类或蒸馏水中的醋酸锌为前驱体,以氯盐为掺杂剂,生长温度为 300 ~
500°C。该工艺无需高真空,工艺简单、经济,而且易于实施掺杂,可获得电学性能极好的
薄膜。
. 脉冲激光沉积[3]
脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition) 是近年来发展起来的一种真空物理沉积工艺,
衬底温度较低,生长参数独立可调,可精确控制化学计量,膜的平整度较高,易于实现超薄
薄膜的制备和多层膜结构的生长,生成的 ZnO 薄膜结晶性很好,而且采用光学系统,避免
了不必要的沾污。
. 分子束外延[2]
分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) 是一种有效的 ZnO 薄膜生长技术。该方法易于控
制组分和高浓度掺杂,可进行原子层生长,而且衬底温度低,能够有效抑制固相外扩散和自
掺杂,得到的 ZnO 薄膜具有很高的纯度,结晶性能也很好,而且氧缺陷密度低,具有良好
的紫外辐射特性。但是该法需要超高真空,费用高,生长速率也较慢。
. 溶胶-凝胶法[3]
溶胶-凝胶法(sol-gel) 是一种高效的边缘制膜技术,一般以醋酸锌为原料,在较低的
温度下(低于 300°C),使锌的化合物经液相沉积出来,直接