ZnO薄膜生長取向及紫外發(fā)光的關(guān)聯(lián)性探究：影響因素與機(jī)制解析一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，光電器件作為信息傳輸、處理和顯示的關(guān)鍵組成部分，在通信、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、能源等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著人們對(duì)光電器件性能要求的不斷提高，研發(fā)新型高性能的光電器件材料成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。氧化鋅（ZnO）薄膜作為一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和優(yōu)異的性能，在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，吸引了眾多科研人員的關(guān)注。ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，在室溫下，其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV。如此高的激子束縛能使得ZnO材料在室溫甚至更高的溫度下都具有很強(qiáng)的激子發(fā)射性能，這為其在短波長發(fā)光器件中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。與其他寬帶隙半導(dǎo)體材料如GaN、SiC等相比，ZnO具有一些顯著的優(yōu)勢。ZnO的制備溫度相對(duì)較低，可在低于600℃的溫度下獲得薄膜，這不僅降低了制備成本，還便于與其他材料集成，拓展了其應(yīng)用范圍；ZnO具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱學(xué)穩(wěn)定性，能夠在不同的環(huán)境條件下保持其性能的穩(wěn)定性，提高了光電器件的可靠性和使用壽命；ZnO還具有較高的電子遷移率和良好的壓電性能，使其在傳感器、壓電器件等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于這些優(yōu)良特性，ZnO薄膜在眾多光電器件中具有重要的應(yīng)用。在紫外發(fā)光二極管（UV-LED）方面，ZnO的寬禁帶特性使其能夠發(fā)射出紫外光，可用于生物醫(yī)療中的殺菌消毒、生物檢測中的熒光激發(fā)以及光通信中的紫外光傳輸?shù)阮I(lǐng)域。通過優(yōu)化ZnO薄膜的生長取向和發(fā)光性能，可以提高UV-LED的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，滿足不同應(yīng)用場景的需求。在紫外激光器領(lǐng)域，ZnO薄膜作為增益介質(zhì)，有望實(shí)現(xiàn)高效的紫外激光輸出，為光存儲(chǔ)、光刻、激光加工等領(lǐng)域帶來新的發(fā)展機(jī)遇。在太陽能電池中，ZnO薄膜可作為透明導(dǎo)電電極或緩沖層，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。其高透過率和良好的導(dǎo)電性能夠減少光的反射和電子的傳輸損耗，從而提升太陽能電池的性能。此外，ZnO薄膜還可應(yīng)用于表面聲波器件、氣敏傳感器等領(lǐng)域，在信息處理和環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。然而，目前ZnO薄膜在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。在生長取向方面，ZnO薄膜的生長取向?qū)ζ湫阅苡兄@著的影響。不同的生長取向會(huì)導(dǎo)致薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)存在差異。c軸取向的ZnO薄膜在某些應(yīng)用中具有較好的性能，但如何精確控制薄膜的生長取向，使其滿足特定光電器件的要求，仍然是一個(gè)亟待解決的問題。在生長過程中，由于襯底與薄膜之間的晶格失配和熱失配等因素，容易導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力，影響其質(zhì)量和性能。在紫外發(fā)光性能方面，雖然ZnO具有較高的激子束縛能，但目前ZnO薄膜的紫外發(fā)光效率仍有待提高。薄膜中的缺陷和雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加，降低發(fā)光效率。此外，發(fā)光的穩(wěn)定性和光譜純度等方面也需要進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足光電器件對(duì)高性能光源的需求。研究ZnO薄膜的生長取向和紫外發(fā)光性能具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論角度來看，深入研究ZnO薄膜的生長取向和紫外發(fā)光機(jī)制，有助于我們更好地理解半導(dǎo)體材料的生長過程和發(fā)光原理，豐富和完善半導(dǎo)體物理理論。通過探索生長取向與晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，掌握ZnO薄膜生長取向和紫外發(fā)光性能的調(diào)控方法，能夠?yàn)楦咝阅芄怆娖骷闹苽涮峁╆P(guān)鍵技術(shù)支持。通過優(yōu)化生長工藝和條件，提高ZnO薄膜的質(zhì)量和性能，可以降低光電器件的成本，提高其性能和可靠性，推動(dòng)光電器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這對(duì)于滿足人們對(duì)高效、節(jié)能、環(huán)保的光電器件的需求，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自20世紀(jì)90年代末以來，隨著對(duì)ZnO薄膜潛在應(yīng)用價(jià)值的認(rèn)識(shí)不斷加深，其生長取向和紫外發(fā)光性能的研究逐漸成為國內(nèi)外科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)。國內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)圍繞這兩個(gè)關(guān)鍵性能展開了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，在制備方法、生長機(jī)理、性能優(yōu)化等方面取得了豐碩的成果。在生長取向的研究方面，國外在早期就開展了深入的探索。日本的科研團(tuán)隊(duì)利用分子束外延（MBE）技術(shù)，精確控制原子的生長環(huán)境，成功制備出高取向的ZnO薄膜。他們通過調(diào)節(jié)襯底溫度、原子束流強(qiáng)度等參數(shù)，深入研究了生長動(dòng)力學(xué)對(duì)薄膜取向的影響。結(jié)果表明，在特定的襯底溫度和原子束流比例下，能夠?qū)崿F(xiàn)ZnO薄膜沿c軸高度取向生長，且薄膜的結(jié)晶質(zhì)量高，缺陷密度低。美國的研究小組則采用脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)，在不同的襯底上生長ZnO薄膜，并利用X射線衍射（XRD）等技術(shù)詳細(xì)分析了薄膜的生長取向與襯底、沉積參數(shù)之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，襯底的晶格匹配度和表面粗糙度對(duì)ZnO薄膜的初始成核和生長取向起著關(guān)鍵作用。晶格匹配度高的襯底能夠?yàn)閆nO薄膜的生長提供良好的模板，促進(jìn)薄膜沿特定方向生長。國內(nèi)在ZnO薄膜生長取向的研究方面也取得了顯著進(jìn)展。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用磁控濺射技術(shù)，通過改變?yōu)R射功率、氣體壓強(qiáng)等工藝參數(shù)，系統(tǒng)地研究了ZnO薄膜的生長取向調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高濺射功率可以增加原子的能量，使其在襯底表面具有更好的遷移能力，從而有利于薄膜的取向生長。此外，通過優(yōu)化氣體壓強(qiáng)，能夠控制濺射粒子的平均自由程，進(jìn)而影響薄膜的生長模式和取向。中科院物理所的科研人員利用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上生長ZnO薄膜，并通過引入緩沖層的方法改善薄膜的生長取向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合適的緩沖層能夠有效緩解襯底與ZnO薄膜之間的晶格失配和熱失配，提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和取向度。在紫外發(fā)光性能的研究方面，國外的研究成果同樣引人注目。韓國的科研人員通過對(duì)ZnO薄膜進(jìn)行摻雜改性，如摻入Mg、Al等元素，有效地調(diào)控了薄膜的光學(xué)性質(zhì)和紫外發(fā)光性能。他們發(fā)現(xiàn)，適量的Mg摻雜能夠增大ZnO薄膜的禁帶寬度，使紫外發(fā)光峰發(fā)生藍(lán)移，同時(shí)提高發(fā)光效率。這是因?yàn)镸g的摻入改變了ZnO的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，減少了非輻射復(fù)合中心，從而增強(qiáng)了紫外發(fā)光。德國的研究小組則關(guān)注ZnO薄膜中的缺陷與發(fā)光性能的關(guān)系。他們利用光致發(fā)光（PL）光譜、陰極熒光（CL）光譜等技術(shù)，深入研究了不同缺陷對(duì)紫外發(fā)光的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，氧空位是導(dǎo)致ZnO薄膜綠光發(fā)射的主要原因，而通過優(yōu)化生長工藝和后處理?xiàng)l件，可以減少氧空位等缺陷的濃度，提高紫外發(fā)光強(qiáng)度和純度。國內(nèi)在ZnO薄膜紫外發(fā)光性能的研究方面也展現(xiàn)出強(qiáng)大的科研實(shí)力。復(fù)旦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用溶膠-凝膠法制備ZnO薄膜，并通過控制熱處理工藝和添加助熔劑的方法，顯著提高了薄膜的紫外發(fā)光性能。熱處理工藝能夠消除薄膜中的應(yīng)力和缺陷，改善晶體結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)紫外發(fā)光。助熔劑的添加則可以促進(jìn)ZnO晶體的生長和結(jié)晶，減少雜質(zhì)和缺陷的引入。華南理工大學(xué)的科研人員通過構(gòu)建ZnO量子點(diǎn)/薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用量子限域效應(yīng)提高了紫外發(fā)光效率。量子點(diǎn)的小尺寸效應(yīng)使其具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，與薄膜復(fù)合后能夠有效地增強(qiáng)激子-光子的相互作用，提高發(fā)光效率。盡管國內(nèi)外在ZnO薄膜生長取向和紫外發(fā)光性能的研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足與空白。在生長取向的精確控制方面，雖然已經(jīng)提出了多種調(diào)控方法，但對(duì)于復(fù)雜襯底或特殊應(yīng)用場景下的ZnO薄膜生長取向控制，仍缺乏有效的手段。目前的研究主要集中在常見的襯底材料上，對(duì)于一些新型襯底或具有特殊表面性質(zhì)的襯底，ZnO薄膜的生長取向機(jī)制和調(diào)控方法還需要進(jìn)一步探索。在生長過程中，如何實(shí)時(shí)監(jiān)測和原位調(diào)控薄膜的生長取向，也是當(dāng)前研究的一個(gè)難點(diǎn)。現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)大多需要在生長結(jié)束后進(jìn)行分析，無法實(shí)現(xiàn)生長過程中的實(shí)時(shí)反饋和調(diào)整。在紫外發(fā)光性能方面，雖然通過摻雜、復(fù)合結(jié)構(gòu)等方法在一定程度上提高了發(fā)光效率，但目前ZnO薄膜的紫外發(fā)光效率與實(shí)際應(yīng)用需求仍有較大差距。對(duì)于摻雜過程中雜質(zhì)原子的分布和擴(kuò)散機(jī)制，以及它們對(duì)發(fā)光性能的長期穩(wěn)定性影響，還缺乏深入的研究。此外，在多色發(fā)光和發(fā)光光譜的精確調(diào)控方面，目前的研究還相對(duì)較少，難以滿足一些對(duì)發(fā)光光譜有特殊要求的應(yīng)用場景，如生物熒光標(biāo)記、全彩顯示等領(lǐng)域。在ZnO薄膜的大規(guī)模制備過程中，如何保證其紫外發(fā)光性能的一致性和穩(wěn)定性，也是亟待解決的問題。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于ZnO薄膜生長取向及紫外發(fā)光特性，旨在深入探究其內(nèi)在機(jī)制與性能優(yōu)化方法，為ZnO薄膜在光電器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供理論與實(shí)驗(yàn)支持。具體研究內(nèi)容與方法如下：1.3.1研究內(nèi)容生長取向的影響因素研究：系統(tǒng)研究制備工藝參數(shù)對(duì)ZnO薄膜生長取向的影響。通過改變磁控濺射、脈沖激光沉積、化學(xué)氣相沉積等不同制備方法中的關(guān)鍵參數(shù)，如襯底溫度、濺射功率、氣體流量、沉積時(shí)間等，探究這些參數(shù)如何影響ZnO薄膜的成核與生長過程，進(jìn)而改變其生長取向。同時(shí)，分析襯底材料的種類、晶格結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)對(duì)ZnO薄膜生長取向的作用。研究不同襯底（如藍(lán)寶石、硅、玻璃等）與ZnO薄膜之間的晶格匹配度和熱失配情況，以及襯底表面的預(yù)處理方式（如清洗、刻蝕、鍍膜等）對(duì)薄膜初始成核和生長取向的影響。紫外發(fā)光性能的影響因素研究：全面探究薄膜中的缺陷和雜質(zhì)對(duì)ZnO薄膜紫外發(fā)光性能的影響。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子力顯微鏡（AFM）、光致發(fā)光光譜（PL）、陰極熒光光譜（CL）等多種表征手段，分析薄膜中的點(diǎn)缺陷（如氧空位、鋅空位、間隙原子等）、線缺陷（如位錯(cuò)）以及雜質(zhì)原子（如Mg、Al、N等）的種類、濃度、分布情況與紫外發(fā)光強(qiáng)度、峰位、半高寬等性能指標(biāo)之間的關(guān)系。研究摻雜對(duì)ZnO薄膜紫外發(fā)光性能的調(diào)控作用。通過選擇合適的摻雜元素和控制摻雜濃度，探索摻雜原子在ZnO晶格中的占位情況及其對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、電子躍遷過程的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外發(fā)光性能的有效調(diào)控，如提高發(fā)光效率、改變發(fā)光波長等。生長取向與紫外發(fā)光性能的關(guān)系研究：深入研究ZnO薄膜生長取向與紫外發(fā)光性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過實(shí)驗(yàn)測量不同生長取向ZnO薄膜的紫外發(fā)光特性，結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)分析和理論計(jì)算，探討生長取向?qū)w內(nèi)部電子態(tài)分布、激子復(fù)合過程的影響機(jī)制。建立生長取向與紫外發(fā)光性能之間的定量關(guān)系模型，為通過控制生長取向來優(yōu)化ZnO薄膜的紫外發(fā)光性能提供理論依據(jù)。分析生長取向與缺陷、雜質(zhì)分布之間的相互關(guān)系，以及這種相互關(guān)系如何間接影響紫外發(fā)光性能。研究在不同生長取向的ZnO薄膜中，缺陷和雜質(zhì)的形成、遷移和聚集規(guī)律，以及它們對(duì)發(fā)光中心的影響，從而揭示生長取向、缺陷雜質(zhì)與紫外發(fā)光性能之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。生長取向和紫外發(fā)光的機(jī)制研究：基于第一性原理計(jì)算，深入研究ZnO薄膜的生長機(jī)制。從原子尺度上分析ZnO原子在襯底表面的吸附、擴(kuò)散、成核和生長過程，揭示生長取向的形成機(jī)制。通過模擬不同制備條件下的生長過程，預(yù)測生長取向的變化趨勢，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。運(yùn)用量子力學(xué)理論和方法，研究ZnO薄膜的紫外發(fā)光機(jī)制。分析激子的產(chǎn)生、束縛和復(fù)合過程，以及缺陷和雜質(zhì)對(duì)這些過程的影響，揭示紫外發(fā)光的物理本質(zhì)。通過計(jì)算電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)躍遷矩陣元等參數(shù)，解釋紫外發(fā)光光譜的特征，為優(yōu)化紫外發(fā)光性能提供理論支持。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法：本研究采用磁控濺射法、脈沖激光沉積法和化學(xué)氣相沉積法等制備ZnO薄膜。磁控濺射法利用等離子體中的氬離子轟擊鋅靶材，使鋅原子濺射出來并在襯底表面沉積形成ZnO薄膜，通過精確控制濺射功率、工作氣壓、濺射時(shí)間、襯底溫度等參數(shù)，可制備出不同質(zhì)量和特性的薄膜；脈沖激光沉積法則是用高能量的脈沖激光束聚焦在鋅靶材上，使靶材表面的原子或分子蒸發(fā)并沉積在襯底上，該方法能夠精確控制薄膜的成分和厚度；化學(xué)氣相沉積法是通過氣態(tài)的鋅源和氧源在高溫和催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底表面沉積形成ZnO薄膜，此方法適合大面積薄膜的制備，且能較好地控制薄膜的生長取向和質(zhì)量。運(yùn)用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、光致發(fā)光光譜（PL）、拉曼光譜（Raman）等表征技術(shù)對(duì)ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)性能進(jìn)行全面分析。XRD可精確測定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和生長取向；SEM和TEM能直觀觀察薄膜的表面和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)；PL光譜用于測量薄膜的發(fā)光特性，包括發(fā)光強(qiáng)度、波長和光譜分布等；Raman光譜則可用于分析薄膜中的化學(xué)鍵振動(dòng)模式和缺陷情況。理論計(jì)算方法：利用第一性原理計(jì)算軟件，如VASP、CASTEP等，基于密度泛函理論對(duì)ZnO薄膜的生長過程和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算。通過構(gòu)建合理的原子模型，模擬不同制備條件下ZnO原子在襯底表面的吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)過程，預(yù)測薄膜的生長取向和結(jié)構(gòu)演變。計(jì)算ZnO薄膜的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等，分析摻雜和缺陷對(duì)電子態(tài)的影響，進(jìn)而解釋紫外發(fā)光機(jī)制。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，借助LAMMPS等軟件，從微觀角度研究ZnO薄膜生長過程中原子的運(yùn)動(dòng)軌跡和相互作用。模擬不同溫度、壓力等條件下薄膜的生長動(dòng)力學(xué)過程，深入了解生長取向的形成過程和影響因素。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，還可以研究缺陷的產(chǎn)生和遷移機(jī)制，為優(yōu)化薄膜生長工藝提供理論依據(jù)。二、ZnO薄膜的基本性質(zhì)與制備方法2.1ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與能帶結(jié)構(gòu)2.1.1晶體結(jié)構(gòu)ZnO薄膜在常溫常壓下通常呈現(xiàn)出六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在晶體學(xué)領(lǐng)域具有獨(dú)特的特征。從原子排列的角度來看，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO可視為由氧原子（O）構(gòu)成簡單六方密堆積，而鋅原子（Zn）則填充于半數(shù)的四面體間隙中。具體而言，ZnO的晶體結(jié)構(gòu)中，Zn原子面和O原子面沿著c軸方向交替排列。在這種排列方式下，Zn和O原子之間形成了相互四面體配位的結(jié)構(gòu)，使得Zn和O在晶體中的位置具有等價(jià)性。這種特殊的原子排列賦予了ZnO薄膜一些重要的結(jié)構(gòu)特性。由于Zn和O原子面的交替排列以及四面體配位結(jié)構(gòu)，ZnO具有一個(gè)Zn極化面和一個(gè)O極化面。這種C面的極化分布導(dǎo)致兩個(gè)面的性質(zhì)存在差異，進(jìn)而使得該晶體結(jié)構(gòu)缺乏對(duì)稱中心。從晶格常數(shù)方面來看，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO晶格常數(shù)a=0.3249nm，c=0.5206nm，c/a比率約為1.60，接近理想六邊形的比例1.633。這種晶格常數(shù)的特點(diǎn)對(duì)ZnO薄膜的物理性質(zhì)有著顯著的影響，例如在光學(xué)和電學(xué)性能方面，晶格常數(shù)的細(xì)微變化可能導(dǎo)致材料的禁帶寬度、電子遷移率等參數(shù)發(fā)生改變。為了更直觀地理解ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，可借助晶體結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行分析。在圖中，能夠清晰地看到Zn原子和O原子在三維空間中的排列方式，以及它們之間的配位關(guān)系。通過對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的深入研究，科研人員可以進(jìn)一步探究ZnO薄膜在生長過程中的原子擴(kuò)散、成核機(jī)制等問題，為優(yōu)化薄膜的生長工藝提供理論基礎(chǔ)。例如，了解晶體結(jié)構(gòu)中原子的配位方式和間隙位置，有助于控制雜質(zhì)原子的摻入位置和濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的有效調(diào)控。2.1.2能帶結(jié)構(gòu)ZnO薄膜作為一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，其能帶結(jié)構(gòu)在決定材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)方面起著關(guān)鍵作用。在室溫條件下，ZnO的禁帶寬度為3.37eV，這一數(shù)值使得ZnO在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力。從能帶的構(gòu)成來看，ZnO的價(jià)帶主要由O的2p態(tài)電子構(gòu)成，而導(dǎo)帶則主要由Zn的4s態(tài)電子構(gòu)成。這種能帶構(gòu)成決定了ZnO薄膜的電子躍遷特性。當(dāng)光子能量大于ZnO的禁帶寬度時(shí)，價(jià)帶中的電子能夠吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下空穴，形成電子-空穴對(duì)。這種電子躍遷過程是ZnO薄膜產(chǎn)生光電效應(yīng)的基礎(chǔ)，也是其在紫外發(fā)光器件、光電探測器等領(lǐng)域應(yīng)用的物理原理。由于ZnO具有較高的激子束縛能，約為60meV，這使得激子在室溫下能夠穩(wěn)定存在。激子是由一個(gè)電子和一個(gè)空穴通過庫侖相互作用結(jié)合而成的準(zhǔn)粒子，其穩(wěn)定性對(duì)于ZnO薄膜的發(fā)光性能有著重要影響。較高的激子束縛能意味著激子在復(fù)合過程中更容易以輻射復(fù)合的方式釋放能量，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的發(fā)光現(xiàn)象，這為ZnO在高效發(fā)光器件中的應(yīng)用提供了有利條件。借助能帶結(jié)構(gòu)示意圖，可以更清晰地理解ZnO薄膜的電子躍遷和發(fā)光機(jī)制。在能帶圖中，能夠直觀地看到價(jià)帶和導(dǎo)帶的位置、禁帶寬度以及激子的能級(jí)。通過對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的分析，科研人員可以深入研究摻雜、缺陷等因素對(duì)ZnO薄膜能帶結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而揭示它們對(duì)材料電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的作用機(jī)制。例如，當(dāng)在ZnO薄膜中摻入雜質(zhì)原子時(shí)，雜質(zhì)原子的能級(jí)可能會(huì)引入到禁帶中，改變電子的躍遷路徑和概率，從而影響材料的發(fā)光波長和發(fā)光效率。研究缺陷對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響，有助于理解缺陷如何導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加，降低發(fā)光效率，為優(yōu)化ZnO薄膜的發(fā)光性能提供理論指導(dǎo)。2.2ZnO薄膜的制備方法概述ZnO薄膜的制備方法多種多樣，每種方法都有其獨(dú)特的原理、工藝特點(diǎn)和適用場景，這使得科研人員能夠根據(jù)不同的研究目的和應(yīng)用需求選擇合適的制備方法。這些制備方法大致可分為物理方法和化學(xué)方法，物理方法主要包括分子束外延、磁控濺射、脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)沉積等；化學(xué)方法則涵蓋化學(xué)氣相沉積、噴霧熱分解、溶膠-凝膠法、電化學(xué)沉積、水熱法、化學(xué)浴沉積等。下面將對(duì)幾種常見的制備方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對(duì)比它們的優(yōu)缺點(diǎn)。分子束外延（MBE）是一種在超高真空環(huán)境下進(jìn)行的薄膜生長技術(shù)。在MBE系統(tǒng)中，Zn和O原子束在精確的控制下，以分子或原子的形式蒸發(fā)并射向加熱的襯底表面。這些原子在襯底表面吸附、擴(kuò)散、反應(yīng)并逐漸生長形成ZnO薄膜。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，可精確控制薄膜的生長層數(shù)和原子排列，從而制備出高質(zhì)量、高純度的ZnO薄膜，其生長速率極慢，通常在每小時(shí)幾個(gè)原子層的量級(jí)，這使得薄膜的生長過程可以被精確監(jiān)測和調(diào)控。這種精確控制的能力使得MBE制備的ZnO薄膜在晶體結(jié)構(gòu)完整性、生長取向的精確控制以及雜質(zhì)和缺陷濃度的嚴(yán)格控制方面表現(xiàn)出色，非常適合用于研究ZnO薄膜的基礎(chǔ)物理性質(zhì)和制備高性能的光電器件，如紫外激光器中的增益介質(zhì)。然而，MBE設(shè)備價(jià)格昂貴，制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量極低，導(dǎo)致制備成本極高，這在很大程度上限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。磁控濺射是目前應(yīng)用較為廣泛的一種制備ZnO薄膜的物理方法。該方法利用等離子體中的氬離子在電場作用下加速轟擊鋅靶材，使鋅原子從靶材表面濺射出來，并在襯底表面沉積。同時(shí)，通過向?yàn)R射室內(nèi)通入氧氣，使濺射出來的鋅原子與氧原子在襯底表面反應(yīng)生成ZnO薄膜。在磁控濺射過程中，通過調(diào)整濺射功率、工作氣壓、濺射時(shí)間、襯底溫度等參數(shù)，可以有效地控制薄膜的生長速率、結(jié)晶質(zhì)量和生長取向。例如，適當(dāng)提高濺射功率可以增加鋅原子的濺射速率和能量，使其在襯底表面具有更好的遷移能力，有利于薄膜的結(jié)晶和取向生長；調(diào)整工作氣壓可以改變氬離子的平均自由程和濺射粒子的碰撞幾率，從而影響薄膜的生長模式和質(zhì)量。磁控濺射法制備的ZnO薄膜具有均勻性好、致密性高、附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且可以在較大面積的襯底上生長，適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是，該方法在制備過程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，如氬氣殘留等，并且設(shè)備成本相對(duì)較高，制備工藝也較為復(fù)雜，需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控才能獲得高質(zhì)量的薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）是一種利用氣態(tài)的鋅源（如二乙基鋅、二甲基鋅等）和氧源（如氧氣、臭氧等）在高溫和催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底表面沉積形成ZnO薄膜的化學(xué)方法。在CVD過程中，氣態(tài)反應(yīng)物在高溫和催化劑的作用下分解產(chǎn)生活性原子或分子，這些活性物種在襯底表面吸附、反應(yīng)并逐漸生長形成薄膜。根據(jù)反應(yīng)條件和設(shè)備的不同，CVD又可分為常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）、低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）等。CVD法的優(yōu)點(diǎn)是可以在較低的溫度下生長ZnO薄膜，這有利于減少薄膜中的熱應(yīng)力和缺陷，并且能夠精確控制薄膜的成分和厚度，適合制備大面積、高質(zhì)量的ZnO薄膜，在太陽能電池、平板顯示器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，通過調(diào)整反應(yīng)氣體的流量、溫度、壓力等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長取向和微觀結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。然而，CVD法需要使用復(fù)雜的氣體輸送和反應(yīng)控制系統(tǒng)，設(shè)備成本較高，且制備過程中可能會(huì)產(chǎn)生有害氣體，需要進(jìn)行嚴(yán)格的尾氣處理。溶膠-凝膠法是一種濕化學(xué)制備方法，其原理是將金屬有機(jī)鹽（如二水合醋酸鋅）溶解在有機(jī)溶劑（如乙二醇甲醚）中，并加入適量的螯合劑（如乙醇胺）形成均勻的溶膠。通過旋轉(zhuǎn)涂覆、提拉等方法將溶膠均勻地涂覆在襯底表面，然后經(jīng)過干燥、熱處理等過程，使溶膠中的有機(jī)溶劑揮發(fā)，金屬有機(jī)鹽分解并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終形成ZnO薄膜。在溶膠-凝膠法中，通過控制前驅(qū)體溶液的濃度、pH值、反應(yīng)溫度和時(shí)間等參數(shù)，可以有效地控制溶膠的穩(wěn)定性和凝膠化過程，進(jìn)而影響薄膜的質(zhì)量和性能。例如，調(diào)整前驅(qū)體溶液的濃度可以控制薄膜的厚度；控制熱處理的溫度和時(shí)間可以改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和生長取向。溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)原子級(jí)摻雜，且可以在各種形狀和材質(zhì)的襯底上制備薄膜。但是，該方法制備的薄膜通常存在孔隙率較高、致密性較差等問題，且制備過程較為繁瑣，需要進(jìn)行多次涂覆和熱處理才能獲得較厚的薄膜。不同制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示：制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)分子束外延原子級(jí)精確控制，薄膜質(zhì)量高、純度高，生長取向精確控制設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量低，成本高磁控濺射薄膜均勻性好、致密性高、附著力強(qiáng)，可大面積生長，適合工業(yè)化生產(chǎn)可能引入雜質(zhì)，設(shè)備成本較高，工藝復(fù)雜化學(xué)氣相沉積可低溫生長，精確控制成分和厚度，適合大面積高質(zhì)量薄膜制備設(shè)備復(fù)雜，成本高，可能產(chǎn)生有害氣體溶膠-凝膠法設(shè)備簡單，成本低廉，易于摻雜，可在多種襯底上制備薄膜孔隙率高，致密性差，制備過程繁瑣通過對(duì)以上幾種常見制備方法的介紹和對(duì)比可以看出，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和局限性。在實(shí)際研究和應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和條件選擇合適的制備方法，或者結(jié)合多種方法的優(yōu)點(diǎn)，探索新的制備工藝，以制備出高質(zhì)量、高性能的ZnO薄膜，滿足不同領(lǐng)域?qū)nO薄膜的需求。三、ZnO薄膜生長取向的影響因素3.1基底相關(guān)因素3.1.1基底材料的選擇基底材料的選擇對(duì)ZnO薄膜的生長取向起著至關(guān)重要的作用，不同的基底材料具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣參數(shù)，這些特性決定了其與ZnO薄膜點(diǎn)陣的匹配程度，進(jìn)而顯著影響ZnO薄膜的生長取向。單晶硅是一種常用的基底材料，其具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.543nm。由于單晶硅與ZnO的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)存在較大差異，兩者之間的晶格失配度較高。在ZnO薄膜生長初期，這種晶格失配會(huì)導(dǎo)致ZnO原子在單晶硅表面的成核和生長受到較大阻礙。為了降低晶格失配帶來的能量，ZnO薄膜往往需要通過調(diào)整自身的生長取向來尋求更好的生長條件。在某些情況下，ZnO薄膜可能會(huì)在單晶硅襯底上形成多晶結(jié)構(gòu)，不同晶粒的生長取向存在差異，導(dǎo)致薄膜整體的取向度較低。然而，通過一些特殊的工藝手段，如引入緩沖層或優(yōu)化生長參數(shù)，也可以在一定程度上改善ZnO薄膜在單晶硅襯底上的生長取向。研究發(fā)現(xiàn)，在單晶硅襯底上先沉積一層與ZnO晶格匹配度較高的過渡層，如MgO緩沖層，能夠有效地緩解晶格失配，促進(jìn)ZnO薄膜沿特定方向生長，提高薄膜的取向度。藍(lán)寶石也是一種被廣泛應(yīng)用于ZnO薄膜生長的基底材料，其屬于六方晶系，晶格常數(shù)a=0.4758nm，c=1.2991nm。雖然藍(lán)寶石與ZnO的晶體結(jié)構(gòu)不同，但在某些晶面方向上，兩者的晶格匹配度相對(duì)較高。例如，在藍(lán)寶石的c面（0001）上生長ZnO薄膜時(shí)，ZnO的c軸方向與藍(lán)寶石的c軸方向存在一定的取向關(guān)系，這種取向關(guān)系使得ZnO薄膜在生長過程中能夠在藍(lán)寶石表面形成較好的外延生長。由于晶格匹配度較高，ZnO原子在藍(lán)寶石表面的成核和生長較為有序，有利于薄膜沿c軸方向高度取向生長。許多研究表明，在合適的生長條件下，如控制適當(dāng)?shù)囊r底溫度、氣體流量等參數(shù)，在藍(lán)寶石c面襯底上可以制備出c軸取向度非常高的ZnO薄膜，這種高取向的ZnO薄膜在光電器件應(yīng)用中具有優(yōu)異的性能，如在紫外發(fā)光二極管中，能夠提高發(fā)光效率和發(fā)光的均勻性。玻璃作為一種非晶態(tài)基底材料，與晶體基底相比，具有無規(guī)則的原子排列結(jié)構(gòu)。由于玻璃沒有明顯的晶格結(jié)構(gòu)，其與ZnO薄膜之間不存在晶格匹配的問題。在玻璃基底上生長ZnO薄膜時(shí)，ZnO原子的初始成核位置相對(duì)隨機(jī)，這使得ZnO薄膜在生長初期的取向分布較為分散。隨著薄膜的生長，原子之間的相互作用和生長動(dòng)力學(xué)因素逐漸起主導(dǎo)作用。在一定的生長條件下，ZnO薄膜可能會(huì)逐漸形成以某一取向?yàn)橹鞯亩嗑ЫY(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化磁控濺射的工藝參數(shù)，如提高濺射功率和適當(dāng)降低工作氣壓，可以增加ZnO原子在玻璃表面的遷移能力，使原子在生長過程中更容易找到能量較低的位置進(jìn)行排列，從而促進(jìn)ZnO薄膜沿某一特定方向生長，提高薄膜的擇優(yōu)取向度。然而，與晶體基底相比，在玻璃基底上制備的ZnO薄膜的取向度通常相對(duì)較低，這在一定程度上限制了其在一些對(duì)薄膜取向要求較高的光電器件中的應(yīng)用。基底材料的點(diǎn)陣與ZnO薄膜點(diǎn)陣的匹配情況是影響ZnO薄膜生長取向的關(guān)鍵因素之一。晶格匹配度高的基底有利于ZnO薄膜沿特定方向有序生長，提高薄膜的取向度；而晶格失配度高或無晶格結(jié)構(gòu)的基底則會(huì)使ZnO薄膜的生長取向更加復(fù)雜，需要通過特殊的工藝手段來調(diào)控薄膜的生長取向，以滿足不同光電器件的應(yīng)用需求。在實(shí)際研究和應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和工藝條件，綜合考慮基底材料的選擇，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜生長取向的有效控制。3.1.2基底表面處理基底表面處理是調(diào)控ZnO薄膜生長取向的重要環(huán)節(jié)，其涉及到多個(gè)物理和化學(xué)過程，這些過程通過改變基底表面的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)ZnO薄膜的初始成核和生長取向產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響?；妆砻孀杂赡苁怯绊慫nO薄膜生長取向的關(guān)鍵因素之一。表面自由能反映了基底表面原子的能量狀態(tài)，它決定了ZnO原子在基底表面的吸附和擴(kuò)散行為。當(dāng)基底表面自由能較高時(shí)，ZnO原子在表面的吸附能力較強(qiáng)，擴(kuò)散相對(duì)困難，這使得ZnO原子更容易在初始吸附位置附近聚集形成核。在這種情況下，成核位置相對(duì)隨機(jī)，導(dǎo)致ZnO薄膜在生長初期的取向分布較為分散。相反，當(dāng)基底表面自由能較低時(shí)，ZnO原子在表面具有較好的遷移能力，能夠在基底表面擴(kuò)散到更有利的位置進(jìn)行成核和生長。這有利于ZnO原子按照一定的取向規(guī)則排列，從而促進(jìn)薄膜沿特定方向生長，提高薄膜的取向度。通過在基底表面涂覆一層具有特定表面能的薄膜，或者對(duì)基底表面進(jìn)行化學(xué)修飾，可以改變基底表面自由能，進(jìn)而調(diào)控ZnO薄膜的生長取向。在硅基底表面涂覆一層有機(jī)分子薄膜，降低基底表面自由能，使得ZnO薄膜在生長過程中能夠更好地沿著有機(jī)分子薄膜所提供的取向模板進(jìn)行生長，從而獲得較高的取向度?；椎臉O化面也對(duì)ZnO薄膜的生長取向有著重要影響。對(duì)于具有極化性質(zhì)的基底，如藍(lán)寶石等，其不同的極化面具有不同的原子排列和電荷分布，這會(huì)導(dǎo)致ZnO原子在不同極化面上的吸附和反應(yīng)活性存在差異。在藍(lán)寶石的c面（0001）上，由于其原子排列和電荷分布的特點(diǎn)，ZnO原子更容易在該面上以特定的取向吸附和生長。具體來說，ZnO的c軸方向與藍(lán)寶石c面的取向關(guān)系使得ZnO薄膜在生長過程中傾向于沿c軸方向生長，形成高度c軸取向的薄膜。這種取向關(guān)系是由兩種材料的晶體結(jié)構(gòu)和原子間相互作用決定的，通過精確控制基底的極化面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜生長取向的有效調(diào)控。在制備ZnO薄膜時(shí)，選擇合適的基底極化面作為生長面，能夠充分利用極化面的特性，促進(jìn)ZnO薄膜沿所需方向生長，提高薄膜的質(zhì)量和性能。預(yù)處理形成的生長基胚在ZnO薄膜生長過程中起到了模板的作用。在基底預(yù)處理過程中，通過物理或化學(xué)方法在基底表面形成一層具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的生長基胚。這些生長基胚為ZnO原子的初始成核提供了優(yōu)先位點(diǎn)，引導(dǎo)ZnO原子按照生長基胚的結(jié)構(gòu)和取向進(jìn)行排列。例如，在基底表面通過光刻技術(shù)制備出具有周期性結(jié)構(gòu)的生長基胚，ZnO原子在生長過程中會(huì)優(yōu)先在這些周期性結(jié)構(gòu)上成核，并且隨著生長的進(jìn)行，ZnO薄膜會(huì)沿著生長基胚的結(jié)構(gòu)方向延伸，從而形成具有特定取向和結(jié)構(gòu)的薄膜。這種利用生長基胚調(diào)控ZnO薄膜生長取向的方法具有較高的精確性和可控性，可以制備出具有復(fù)雜取向結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜，滿足不同光電器件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的特殊要求。在制備納米結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜時(shí)，通過設(shè)計(jì)合適的生長基胚，可以實(shí)現(xiàn)ZnO納米線或納米棒的有序生長，使其在特定方向上排列，提高納米結(jié)構(gòu)薄膜的性能和應(yīng)用價(jià)值?；妆砻嫣幚硗ㄟ^改變基底表面自由能、利用基底極化面特性以及形成生長基胚等方式，對(duì)ZnO薄膜的生長取向產(chǎn)生重要影響。深入研究這些作用機(jī)制，有助于開發(fā)出更加有效的基底表面處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜生長取向的精確控制，為高性能光電器件的制備提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在未來的研究中，可以進(jìn)一步探索新型的基底表面處理技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的材料表征手段，深入研究基底表面與ZnO薄膜之間的相互作用，不斷優(yōu)化ZnO薄膜的生長取向，推動(dòng)ZnO薄膜在光電器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。3.2制備工藝參數(shù)3.2.1基片溫度基片溫度在ZnO薄膜的生長過程中扮演著極為關(guān)鍵的角色，它對(duì)ZnO薄膜沿C軸擇優(yōu)取向生長的影響是多方面且復(fù)雜的，涉及到原子的遷移、擴(kuò)散、成核以及結(jié)晶等一系列微觀過程。當(dāng)基片溫度較低時(shí)，在ZnO薄膜生長的初始階段，到達(dá)基片表面的Zn和O原子具有較低的能量。這使得它們?cè)诨砻娴倪w移能力較弱，難以克服原子間的相互作用力，從而只能在初始吸附位置附近進(jìn)行擴(kuò)散和聚集。在這種情況下，原子的擴(kuò)散范圍有限，很難找到能量最低的穩(wěn)定位置進(jìn)行排列，導(dǎo)致ZnO原子的成核較為隨機(jī)，形成的晶核取向分布廣泛。隨著薄膜生長的進(jìn)行，這些隨機(jī)取向的晶核逐漸長大，使得ZnO薄膜在整體上呈現(xiàn)出多晶結(jié)構(gòu)，C軸擇優(yōu)取向不明顯。研究表明，當(dāng)基片溫度低于200℃時(shí)，通過磁控濺射法制備的ZnO薄膜中，晶粒的取向較為混亂，C軸取向的晶粒所占比例較低，薄膜的XRD圖譜中，除了(002)晶面的衍射峰外，還會(huì)出現(xiàn)其他晶面的較強(qiáng)衍射峰，這表明薄膜中存在多種取向的晶粒，晶體質(zhì)量較差。隨著基片溫度的升高，Zn和O原子在基片表面的遷移能力顯著增強(qiáng)。較高的溫度為原子提供了足夠的能量，使其能夠克服表面能壘，在基片表面進(jìn)行長距離的擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，原子更容易找到能量較低的位置進(jìn)行吸附和排列，從而有利于形成穩(wěn)定的晶核。對(duì)于ZnO薄膜來說，沿C軸方向生長具有較低的表面能，在較高溫度下，原子更容易按照C軸方向進(jìn)行排列，形成具有C軸擇優(yōu)取向的晶核。隨著生長的繼續(xù)，這些具有C軸擇優(yōu)取向的晶核不斷長大并相互連接，逐漸形成C軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)基片溫度升高到300℃-400℃時(shí)，ZnO薄膜的C軸擇優(yōu)取向明顯增強(qiáng)，XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰強(qiáng)度顯著增加，半高寬變窄，這意味著薄膜中C軸取向的晶粒比例增加，晶體的結(jié)晶質(zhì)量得到提高。當(dāng)基片溫度過高時(shí)，雖然原子的遷移能力進(jìn)一步增強(qiáng)，但過高的溫度也會(huì)導(dǎo)致一些不利于C軸擇優(yōu)取向生長的因素出現(xiàn)。過高的溫度可能會(huì)使薄膜中的原子擴(kuò)散過于劇烈，導(dǎo)致原子的無序排列增加，從而破壞了晶體的有序結(jié)構(gòu)。過高的溫度還可能引發(fā)薄膜與基片之間的化學(xué)反應(yīng)，或者導(dǎo)致薄膜中的應(yīng)力增加，這些因素都可能影響ZnO薄膜的C軸擇優(yōu)取向生長。當(dāng)基片溫度超過500℃時(shí)，ZnO薄膜中可能會(huì)出現(xiàn)較多的缺陷和位錯(cuò)，C軸擇優(yōu)取向度反而會(huì)下降，XRD圖譜中(002)晶面衍射峰的強(qiáng)度會(huì)有所減弱，半高寬變寬，薄膜的晶體質(zhì)量變差?；瑴囟韧ㄟ^影響ZnO原子在基片表面的遷移和結(jié)晶過程，對(duì)ZnO薄膜沿C軸擇優(yōu)取向生長產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際制備ZnO薄膜時(shí)，需要精確控制基片溫度，以獲得具有良好C軸擇優(yōu)取向的高質(zhì)量薄膜。通過優(yōu)化基片溫度，可以調(diào)節(jié)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和性能，滿足不同光電器件對(duì)ZnO薄膜的要求，為ZnO薄膜在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。3.2.2氧分壓氧分壓在ZnO薄膜的生長過程中是一個(gè)關(guān)鍵的影響因素，它對(duì)ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和生長取向有著復(fù)雜而重要的作用，這種作用主要通過改變薄膜中原子的比例和化學(xué)鍵的形成來實(shí)現(xiàn)。在較低的氧分壓條件下，由于氧氣供應(yīng)相對(duì)不足，ZnO薄膜生長過程中會(huì)出現(xiàn)鋅原子相對(duì)過剩的情況。在這種情況下，薄膜中容易形成氧空位缺陷。氧空位的存在會(huì)顯著影響薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，同時(shí)也會(huì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。從晶體結(jié)構(gòu)的角度來看，氧空位的形成會(huì)破壞ZnO晶體原本的晶格對(duì)稱性，使得晶體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻。為了緩解這種應(yīng)力，ZnO晶體可能會(huì)調(diào)整其生長取向，導(dǎo)致生長取向變得復(fù)雜且無序。研究表明，當(dāng)氧分壓低于一定閾值時(shí)，通過磁控濺射法制備的ZnO薄膜中，除了C軸取向的晶粒外，還會(huì)出現(xiàn)大量其他取向的晶粒，XRD圖譜中除了(002)晶面的衍射峰外，還會(huì)出現(xiàn)多個(gè)其他晶面的衍射峰，且峰的強(qiáng)度相對(duì)較高，這表明薄膜的晶體結(jié)構(gòu)較為混亂，生長取向不單一。此外，由于氧空位的存在，薄膜中的電子結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致薄膜的電學(xué)性能不穩(wěn)定，光學(xué)性能如發(fā)光效率和發(fā)光波長也會(huì)受到影響。隨著氧分壓的逐漸增加，氧氣供應(yīng)逐漸充足，更多的氧原子能夠參與到ZnO薄膜的生長過程中。當(dāng)氧分壓達(dá)到一個(gè)合適的范圍時(shí)，薄膜中鋅原子和氧原子的比例接近化學(xué)計(jì)量比，此時(shí)能夠形成較為理想的ZnO晶體結(jié)構(gòu)。在這種情況下，ZnO薄膜更傾向于沿C軸方向生長。這是因?yàn)樵赯nO的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，沿C軸方向生長能夠使原子間的化學(xué)鍵形成更加穩(wěn)定，晶體的能量最低。在合適的氧分壓下，通過射頻磁控濺射法制備的ZnO薄膜，其XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，半高寬變窄，這表明薄膜中C軸取向的晶粒占主導(dǎo)地位，晶體的結(jié)晶質(zhì)量高，生長取向良好。此時(shí)，薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能也會(huì)得到優(yōu)化，例如電子遷移率提高，發(fā)光效率增強(qiáng)，發(fā)光波長更加穩(wěn)定。然而，當(dāng)氧分壓過高時(shí)，過多的氧原子會(huì)導(dǎo)致薄膜中出現(xiàn)氧填隙或鋅空位等缺陷。氧填隙和鋅空位的形成同樣會(huì)破壞ZnO晶體的晶格結(jié)構(gòu)，使晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而影響薄膜的生長取向。過高的氧分壓還可能導(dǎo)致薄膜的生長速率過快，使得原子在生長過程中來不及進(jìn)行有序排列，也不利于形成良好的生長取向。當(dāng)氧分壓超過一定值時(shí)，ZnO薄膜的XRD圖譜中(002)晶面衍射峰的強(qiáng)度會(huì)減弱，半高寬變寬，同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)其他晶面衍射峰的增強(qiáng)，這表明薄膜的C軸擇優(yōu)取向度下降，晶體結(jié)構(gòu)變差。此外，薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能也會(huì)受到負(fù)面影響，如電阻率增加，發(fā)光效率降低等。氧分壓通過影響ZnO薄膜中原子的比例和缺陷的形成，對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和生長取向產(chǎn)生重要影響。在制備ZnO薄膜時(shí)，精確控制氧分壓是獲得高質(zhì)量、具有特定生長取向薄膜的關(guān)鍵因素之一。通過優(yōu)化氧分壓，可以調(diào)控薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和性能，滿足不同光電器件對(duì)ZnO薄膜的要求，推動(dòng)ZnO薄膜在光電器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。3.2.3濺射功率與工作氣壓濺射功率和工作氣壓是磁控濺射制備ZnO薄膜過程中的兩個(gè)重要工藝參數(shù)，它們對(duì)薄膜生長過程中原子的沉積速率和能量有著顯著影響，進(jìn)而反映在薄膜的生長取向上。當(dāng)濺射功率較低時(shí)，在磁控濺射過程中，等離子體中的氬離子獲得的能量相對(duì)較少，其轟擊鋅靶材的能量較低。這使得鋅原子從靶材表面濺射出來的數(shù)量較少，沉積速率較慢。由于原子的能量較低，它們?cè)诘竭_(dá)基片表面后，遷移能力較弱，難以在基片表面進(jìn)行長距離的擴(kuò)散和重新排列。在這種情況下，原子更容易在初始吸附位置附近聚集形成晶核，導(dǎo)致晶核的形成較為隨機(jī)，取向分布廣泛。隨著薄膜的生長，這些隨機(jī)取向的晶核逐漸長大，使得ZnO薄膜在整體上呈現(xiàn)出多晶結(jié)構(gòu)，生長取向不明顯。研究表明，當(dāng)濺射功率低于50W時(shí)，通過磁控濺射法制備的ZnO薄膜中，晶粒的取向較為混亂，XRD圖譜中多個(gè)晶面的衍射峰強(qiáng)度較為接近，沒有明顯的擇優(yōu)取向，這表明薄膜的晶體結(jié)構(gòu)較差，生長取向難以控制。隨著濺射功率的增加，等離子體中的氬離子獲得的能量增加，其轟擊鋅靶材的能量增強(qiáng)。這使得更多的鋅原子從靶材表面濺射出來，沉積速率加快。同時(shí)，具有較高能量的鋅原子在到達(dá)基片表面后，具有更強(qiáng)的遷移能力，能夠在基片表面進(jìn)行長距離的擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，原子更容易找到能量較低的位置進(jìn)行吸附和排列，從而有利于形成具有特定取向的晶核。對(duì)于ZnO薄膜來說，沿C軸方向生長具有較低的表面能，在較高的濺射功率下，原子更容易按照C軸方向進(jìn)行排列，形成具有C軸擇優(yōu)取向的晶核。隨著生長的繼續(xù)，這些具有C軸擇優(yōu)取向的晶核不斷長大并相互連接，逐漸形成C軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)濺射功率增加到100W-150W時(shí)，ZnO薄膜的C軸擇優(yōu)取向明顯增強(qiáng)，XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰強(qiáng)度顯著增加，半高寬變窄，這意味著薄膜中C軸取向的晶粒比例增加，晶體的結(jié)晶質(zhì)量得到提高。工作氣壓對(duì)薄膜生長取向的影響主要通過改變?yōu)R射粒子的平均自由程和碰撞幾率來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)工作氣壓較低時(shí)，濺射粒子在等離子體中的平均自由程較長，它們與其他粒子的碰撞幾率較小。在這種情況下，濺射粒子能夠以較高的速度和能量到達(dá)基片表面，使得原子在基片表面的遷移能力增強(qiáng)，有利于形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。低氣壓下，原子的沉積速率相對(duì)較慢，原子有足夠的時(shí)間在基片表面進(jìn)行擴(kuò)散和排列，從而有利于形成擇優(yōu)取向的薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作氣壓低于0.5Pa時(shí)，制備的ZnO薄膜具有較好的C軸擇優(yōu)取向，XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰較為尖銳，強(qiáng)度較高，表明薄膜的晶體質(zhì)量較好，生長取向較為單一。當(dāng)工作氣壓較高時(shí)，濺射粒子在等離子體中的平均自由程較短，它們與其他粒子的碰撞幾率增大。這使得濺射粒子在到達(dá)基片表面之前，能量損失較大，速度降低。低能量的粒子在到達(dá)基片表面后，遷移能力減弱，難以進(jìn)行長距離的擴(kuò)散和排列，導(dǎo)致原子的沉積較為隨機(jī)，不利于形成擇優(yōu)取向的薄膜。過高的工作氣壓還可能導(dǎo)致薄膜中混入較多的氣體分子，影響薄膜的質(zhì)量和性能。當(dāng)工作氣壓高于2Pa時(shí)，ZnO薄膜的生長取向變得復(fù)雜，XRD圖譜中多個(gè)晶面的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，C軸擇優(yōu)取向度下降，薄膜的晶體質(zhì)量變差。濺射功率和工作氣壓通過影響ZnO薄膜生長過程中原子的沉積速率和能量，對(duì)薄膜的生長取向產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際制備ZnO薄膜時(shí)，需要綜合考慮濺射功率和工作氣壓的影響，選擇合適的工藝參數(shù)，以獲得具有良好生長取向的高質(zhì)量薄膜。通過優(yōu)化這兩個(gè)參數(shù)，可以調(diào)節(jié)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和性能，滿足不同光電器件對(duì)ZnO薄膜的要求，為ZnO薄膜在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)保障。3.3摻雜與退火處理3.3.1摻雜離子的影響不同的摻雜離子，如Eu3?、Sm3?、Mn2?等，對(duì)ZnO薄膜的取向生長有著顯著且獨(dú)特的影響，這種影響主要源于摻雜離子與ZnO晶格之間的相互作用，以及它們對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和生長趨勢的改變。當(dāng)在ZnO薄膜中摻入Eu3?離子時(shí)，由于Eu3?的離子半徑（0.107nm）與Zn2?的離子半徑（0.074nm）存在較大差異，這種尺寸上的不匹配會(huì)在ZnO晶格中引入較大的應(yīng)力。為了緩解這種應(yīng)力，ZnO晶體在生長過程中會(huì)調(diào)整其原子排列方式，從而影響薄膜的取向生長。研究表明，適量的Eu3?摻雜會(huì)導(dǎo)致ZnO薄膜的c軸取向度發(fā)生變化。在一定的摻雜濃度范圍內(nèi)，隨著Eu3?濃度的增加，ZnO薄膜的c軸取向度可能會(huì)先增加后減小。這是因?yàn)樵谳^低的摻雜濃度下，Eu3?離子的引入會(huì)為ZnO原子的生長提供新的成核位點(diǎn)，這些位點(diǎn)有利于ZnO原子按照c軸方向排列，從而促進(jìn)c軸取向生長。當(dāng)摻雜濃度過高時(shí)，過大的晶格應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的畸變加劇，使得ZnO原子難以維持c軸取向的生長，從而導(dǎo)致c軸取向度下降。此外，Eu3?的摻雜還可能改變ZnO薄膜的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響原子間的相互作用力，進(jìn)一步對(duì)薄膜的取向生長產(chǎn)生影響。Sm3?離子的摻雜同樣會(huì)對(duì)ZnO薄膜的取向生長產(chǎn)生重要作用。Sm3?的離子半徑（0.104nm）也與Zn2?的離子半徑有明顯差異，其摻入ZnO晶格后，會(huì)改變晶格的局部電荷分布和原子間的鍵合特性。這種改變會(huì)影響ZnO原子在生長過程中的遷移和吸附行為，從而影響薄膜的取向。研究發(fā)現(xiàn)，Sm3?摻雜可以使ZnO薄膜的生長取向更加多樣化。在某些情況下，Sm3?的摻雜可能會(huì)抑制ZnO薄膜沿c軸方向的生長，而促進(jìn)其他晶面方向的生長。這是因?yàn)镾m3?離子的存在改變了晶體表面的能量分布，使得其他晶面方向的生長具有更低的能量，從而使得ZnO原子更容易在這些方向上成核和生長。此外，Sm3?摻雜還可能與ZnO薄膜中的缺陷相互作用，進(jìn)一步影響薄膜的取向生長。例如，Sm3?離子可能會(huì)捕獲薄膜中的空位或間隙原子，改變?nèi)毕莸姆植己蜐舛?，從而間接影響薄膜的生長取向。Mn2?離子摻雜對(duì)ZnO薄膜取向生長的影響也不容忽視。Mn2?的離子半徑（0.083nm）與Zn2?的離子半徑較為接近，但由于其電子結(jié)構(gòu)的特殊性，Mn2?的摻雜會(huì)對(duì)ZnO薄膜的磁性和晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。在晶體結(jié)構(gòu)方面，Mn2?的摻入可能會(huì)導(dǎo)致ZnO晶格的畸變，雖然這種畸變程度相對(duì)較小，但仍會(huì)對(duì)薄膜的取向生長產(chǎn)生一定的影響。研究表明，Mn2?摻雜可以在一定程度上調(diào)控ZnO薄膜的c軸取向度。在適當(dāng)?shù)膿诫s濃度下，Mn2?離子可以與ZnO原子形成特定的化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵的形成會(huì)影響ZnO原子的排列方式，使得薄膜更傾向于沿c軸方向生長，從而提高c軸取向度。然而，當(dāng)摻雜濃度過高時(shí)，Mn2?離子可能會(huì)在晶格中形成團(tuán)簇，破壞晶體的有序結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致c軸取向度下降。此外，Mn2?摻雜還會(huì)改變ZnO薄膜的磁性，而磁性與晶體結(jié)構(gòu)和取向之間存在著相互關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)也會(huì)對(duì)薄膜的取向生長產(chǎn)生間接影響。不同摻雜離子由于其自身的離子半徑、電子結(jié)構(gòu)等特性，在摻入ZnO薄膜后，會(huì)通過改變晶體結(jié)構(gòu)、晶格應(yīng)力、電子結(jié)構(gòu)以及原子間的相互作用等因素，對(duì)ZnO薄膜的取向生長產(chǎn)生復(fù)雜而重要的影響。深入研究這些影響機(jī)制，對(duì)于通過摻雜手段精確調(diào)控ZnO薄膜的取向生長，制備具有特定性能的ZnO薄膜材料具有重要的理論和實(shí)際意義。在未來的研究中，可以進(jìn)一步探索多種摻雜離子的協(xié)同摻雜效應(yīng)，以及摻雜離子與其他生長條件（如基底、制備工藝參數(shù)等）的相互作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜取向生長的更精準(zhǔn)控制。3.3.2退火氣氛與溫度退火氣氛和溫度在ZnO薄膜的生長過程中扮演著至關(guān)重要的角色，它們通過影響原子的擴(kuò)散和缺陷的修復(fù)等微觀過程，對(duì)薄膜的取向生長產(chǎn)生顯著影響。在氧氣氣氛下進(jìn)行退火處理時(shí)，充足的氧原子供應(yīng)使得ZnO薄膜中的氧空位缺陷能夠得到有效修復(fù)。氧空位是ZnO薄膜中常見的缺陷之一，它的存在會(huì)破壞晶體的完整性，導(dǎo)致晶格畸變和局部應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而影響薄膜的取向生長。在氧氣氣氛中退火時(shí)，氧原子能夠填補(bǔ)薄膜中的氧空位，使晶體結(jié)構(gòu)更加完整，降低晶格畸變和應(yīng)力。這有利于ZnO原子在生長過程中按照能量最低原理進(jìn)行排列，促進(jìn)薄膜沿c軸方向生長，提高c軸取向度。研究表明，在適當(dāng)?shù)难鯕馔嘶饤l件下，如退火溫度為500℃-600℃，退火時(shí)間為1-2小時(shí)，通過磁控濺射法制備的ZnO薄膜的c軸取向度明顯提高，XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，半高寬變窄，表明薄膜中c軸取向的晶粒比例增加，晶體質(zhì)量得到改善。此外，氧氣氣氛還可能影響ZnO薄膜中的雜質(zhì)分布和化學(xué)鍵的形成，進(jìn)一步對(duì)薄膜的取向生長產(chǎn)生影響。例如，氧氣可能與薄膜中的雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使其形成揮發(fā)性化合物而揮發(fā)掉，從而減少雜質(zhì)對(duì)薄膜生長取向的干擾。在真空氣氛下退火，由于缺乏外界原子的參與，主要發(fā)生的是薄膜內(nèi)部原子的擴(kuò)散和缺陷的遷移。在高溫真空條件下，ZnO薄膜中的原子具有較高的能量，能夠在晶格中進(jìn)行長距離的擴(kuò)散。這種原子擴(kuò)散過程有助于消除薄膜中的微觀應(yīng)力和缺陷，使晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。對(duì)于取向生長而言，原子的擴(kuò)散可以使ZnO原子重新排列，調(diào)整晶體的生長方向，從而優(yōu)化薄膜的取向。在某些情況下，真空退火可以使原本取向混亂的ZnO薄膜逐漸形成擇優(yōu)取向。這是因?yàn)樵谠訑U(kuò)散過程中，具有較低表面能的晶面方向更容易吸引原子進(jìn)行生長，從而逐漸形成優(yōu)勢取向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫真空退火后，ZnO薄膜的XRD圖譜中某些晶面的衍射峰強(qiáng)度發(fā)生變化，出現(xiàn)了明顯的擇優(yōu)取向峰，說明真空退火對(duì)薄膜的取向生長有顯著的調(diào)控作用。然而，真空退火也可能導(dǎo)致薄膜中的某些元素?fù)]發(fā)，從而改變薄膜的化學(xué)組成和性能，因此需要精確控制退火條件。退火溫度對(duì)ZnO薄膜取向生長的影響是多方面的。當(dāng)退火溫度較低時(shí)，原子的擴(kuò)散和遷移能力較弱，薄膜中的缺陷難以得到有效修復(fù)，晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)整也較為有限。在這種情況下，退火對(duì)薄膜取向生長的影響較小，薄膜的取向基本保持退火前的狀態(tài)。隨著退火溫度的升高，原子的擴(kuò)散和遷移能力增強(qiáng)，薄膜中的缺陷能夠更快地被修復(fù)，晶體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。適當(dāng)?shù)母邷赝嘶鹂梢源龠M(jìn)ZnO薄膜的取向生長，使薄膜的c軸取向度提高。當(dāng)退火溫度過高時(shí)，可能會(huì)引發(fā)一些不利的影響。過高的溫度可能導(dǎo)致薄膜中的原子擴(kuò)散過于劇烈，使得晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生過度調(diào)整，甚至出現(xiàn)晶格的破壞和再結(jié)晶現(xiàn)象。這可能會(huì)導(dǎo)致薄膜的取向變得混亂，c軸取向度下降。當(dāng)退火溫度超過800℃時(shí)，ZnO薄膜的XRD圖譜中可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)晶面衍射峰強(qiáng)度相近的情況，表明薄膜的取向變得復(fù)雜，晶體質(zhì)量下降。退火氣氛和溫度通過影響ZnO薄膜中原子的擴(kuò)散、缺陷的修復(fù)以及晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)整等過程，對(duì)薄膜的取向生長產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際制備ZnO薄膜時(shí)，需要根據(jù)具體需求，精確控制退火氣氛和溫度，以獲得具有良好取向生長的高質(zhì)量薄膜。通過優(yōu)化退火條件，可以進(jìn)一步改善ZnO薄膜的性能，滿足不同光電器件對(duì)薄膜取向和質(zhì)量的要求，推動(dòng)ZnO薄膜在光電器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。四、ZnO薄膜紫外發(fā)光的影響因素4.1晶體結(jié)構(gòu)與缺陷的影響4.1.1晶體質(zhì)量對(duì)紫外發(fā)光的影響晶體質(zhì)量是影響ZnO薄膜紫外發(fā)光的關(guān)鍵因素之一，高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)能夠?yàn)楦咝У淖贤獍l(fā)光提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，其內(nèi)在機(jī)制與電子躍遷和激子復(fù)合過程密切相關(guān)。在高質(zhì)量的ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)中，原子排列高度有序，晶格缺陷和雜質(zhì)含量極低。這種有序的結(jié)構(gòu)使得電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)更加規(guī)則，減少了電子散射和能量損失。從電子躍遷的角度來看，當(dāng)ZnO薄膜受到外界激發(fā)，如光照或電場作用時(shí)，價(jià)帶中的電子能夠順利地吸收能量躍遷到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)。由于晶體結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量，電子和空穴在復(fù)合過程中能夠高效地以輻射復(fù)合的方式進(jìn)行，即電子從導(dǎo)帶躍遷回價(jià)帶時(shí)，多余的能量以光子的形式釋放出來，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的紫外發(fā)光。這種輻射復(fù)合過程的效率高，使得紫外發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)，發(fā)光光譜的半高寬變窄，光譜純度提高。研究表明，通過分子束外延（MBE）技術(shù)制備的高質(zhì)量ZnO薄膜，由于其原子級(jí)別的精確控制，晶體結(jié)構(gòu)近乎完美，在紫外發(fā)光測試中展現(xiàn)出極高的發(fā)光效率和純度，其紫外發(fā)光強(qiáng)度比普通制備方法得到的ZnO薄膜高出數(shù)倍。高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)激子復(fù)合過程也有著積極的影響。在ZnO薄膜中，激子是由電子和空穴通過庫侖相互作用結(jié)合而成的準(zhǔn)粒子。在高質(zhì)量的晶體中，激子能夠在晶格中穩(wěn)定存在，并且其復(fù)合過程更容易以輻射復(fù)合的方式進(jìn)行。這是因?yàn)楦哔|(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)減少了非輻射復(fù)合中心的存在，如晶格缺陷、雜質(zhì)等，這些非輻射復(fù)合中心會(huì)捕獲電子和空穴，使其通過非輻射的方式復(fù)合，從而降低發(fā)光效率。在高質(zhì)量的ZnO晶體中，激子的壽命更長，能夠在復(fù)合過程中更有效地將能量轉(zhuǎn)化為光子，增強(qiáng)紫外發(fā)光。通過優(yōu)化生長工藝，如采用高溫退火處理，可以進(jìn)一步改善ZnO薄膜的晶體質(zhì)量，提高激子的輻射復(fù)合效率，從而增強(qiáng)紫外發(fā)光性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過適當(dāng)高溫退火處理的ZnO薄膜，其激子輻射復(fù)合效率提高了30%以上，紫外發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。相反，當(dāng)ZnO薄膜的晶體質(zhì)量較差時(shí)，晶體中存在大量的晶格缺陷、位錯(cuò)和雜質(zhì)。這些缺陷和雜質(zhì)會(huì)破壞晶體的周期性勢場，導(dǎo)致電子散射增加，電子在躍遷過程中的能量損失增大。在這種情況下，電子和空穴更容易被缺陷和雜質(zhì)捕獲，形成非輻射復(fù)合中心，使得電子-空穴對(duì)通過非輻射復(fù)合的方式復(fù)合，從而降低了紫外發(fā)光效率。晶體質(zhì)量差還可能導(dǎo)致激子的束縛能降低，激子在復(fù)合之前容易發(fā)生解離，進(jìn)一步減少了輻射復(fù)合的幾率，使得紫外發(fā)光強(qiáng)度減弱，光譜半高寬增大，光譜純度降低。通過溶膠-凝膠法制備的ZnO薄膜，如果在制備過程中工藝控制不當(dāng)，容易引入較多的雜質(zhì)和缺陷，導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降，其紫外發(fā)光性能明顯低于高質(zhì)量的ZnO薄膜，發(fā)光強(qiáng)度較弱，且光譜中存在較多的雜峰。高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)通過促進(jìn)電子躍遷和激子復(fù)合過程，對(duì)ZnO薄膜的紫外發(fā)光性能產(chǎn)生積極影響。在制備ZnO薄膜時(shí)，應(yīng)采用先進(jìn)的制備技術(shù)和優(yōu)化的工藝條件，盡可能提高晶體質(zhì)量，減少缺陷和雜質(zhì)的引入，以實(shí)現(xiàn)高效的紫外發(fā)光。深入研究晶體質(zhì)量與紫外發(fā)光性能之間的關(guān)系，有助于進(jìn)一步優(yōu)化ZnO薄膜的制備工藝，推動(dòng)其在紫外發(fā)光器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。4.1.2本征缺陷的作用ZnO薄膜中的本征缺陷，如氧空位、鋅空位等，對(duì)其紫外發(fā)光峰位和峰強(qiáng)有著復(fù)雜而重要的影響，這些影響源于缺陷能級(jí)在電子躍遷過程中的獨(dú)特作用機(jī)制。氧空位是ZnO薄膜中較為常見且研究較多的本征缺陷之一。當(dāng)ZnO晶體中出現(xiàn)氧空位時(shí)，會(huì)在禁帶中引入缺陷能級(jí)。這些缺陷能級(jí)的位置和性質(zhì)對(duì)紫外發(fā)光峰位和峰強(qiáng)有著顯著影響。從能級(jí)結(jié)構(gòu)來看，氧空位引入的缺陷能級(jí)位于禁帶中靠近導(dǎo)帶的位置。在光激發(fā)下，價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，部分電子會(huì)被氧空位缺陷能級(jí)捕獲。當(dāng)這些被捕獲的電子從缺陷能級(jí)躍遷回價(jià)帶時(shí)，會(huì)釋放出能量，從而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。由于氧空位缺陷能級(jí)與價(jià)帶之間的能量差相對(duì)較小，這種躍遷產(chǎn)生的發(fā)光波長通常位于綠光區(qū)域，從而對(duì)紫外發(fā)光產(chǎn)生干擾，降低了紫外發(fā)光峰的相對(duì)強(qiáng)度。研究表明，當(dāng)ZnO薄膜中氧空位濃度較高時(shí)，其光致發(fā)光光譜中綠光發(fā)射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，而紫外發(fā)光峰強(qiáng)度相對(duì)減弱，導(dǎo)致紫外發(fā)光峰與綠光發(fā)射峰的強(qiáng)度比值下降。此外，氧空位還可能影響激子的復(fù)合過程。過多的氧空位會(huì)增加非輻射復(fù)合中心，使得激子更容易通過非輻射復(fù)合的方式消失，從而進(jìn)一步降低紫外發(fā)光效率。鋅空位同樣是影響ZnO薄膜紫外發(fā)光性能的重要本征缺陷。鋅空位的形成會(huì)導(dǎo)致ZnO晶體中局部電荷分布的改變，進(jìn)而在禁帶中引入新的缺陷能級(jí)。與氧空位不同，鋅空位引入的缺陷能級(jí)位置和性質(zhì)具有其獨(dú)特性。在某些情況下，鋅空位引入的缺陷能級(jí)可能會(huì)影響電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的躍遷過程。當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷回價(jià)帶時(shí)，由于鋅空位缺陷能級(jí)的存在，電子可能會(huì)先躍遷到缺陷能級(jí)，然后再從缺陷能級(jí)躍遷回價(jià)帶，這一過程會(huì)改變電子躍遷的能量差，從而導(dǎo)致紫外發(fā)光峰位發(fā)生移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)ZnO薄膜中存在一定濃度的鋅空位時(shí)，其紫外發(fā)光峰位可能會(huì)發(fā)生藍(lán)移或紅移，具體取決于鋅空位缺陷能級(jí)與價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的相對(duì)位置關(guān)系。鋅空位還可能影響ZnO薄膜的電學(xué)性能，進(jìn)而間接影響紫外發(fā)光性能。例如，鋅空位可能會(huì)導(dǎo)致薄膜的電導(dǎo)率發(fā)生變化，影響電子和空穴的傳輸和復(fù)合過程，從而對(duì)紫外發(fā)光峰強(qiáng)產(chǎn)生影響。除了氧空位和鋅空位，ZnO薄膜中還可能存在其他本征缺陷，如間隙鋅、間隙氧等，這些缺陷也會(huì)對(duì)紫外發(fā)光性能產(chǎn)生不同程度的影響。間隙鋅原子的存在可能會(huì)引入額外的電子，改變晶體中的電子濃度和費(fèi)米能級(jí)位置，從而影響電子躍遷和發(fā)光過程。間隙氧原子則可能與其他原子形成新的化學(xué)鍵，改變晶體的局部結(jié)構(gòu)和電子云分布，進(jìn)而影響紫外發(fā)光性能。這些本征缺陷之間還可能存在相互作用，進(jìn)一步增加了對(duì)紫外發(fā)光性能影響的復(fù)雜性。ZnO薄膜中的本征缺陷通過在禁帶中引入缺陷能級(jí)，改變電子躍遷路徑和能量差，以及影響激子復(fù)合過程等方式，對(duì)紫外發(fā)光峰位和峰強(qiáng)產(chǎn)生重要影響。深入研究本征缺陷的作用機(jī)制，對(duì)于理解ZnO薄膜的紫外發(fā)光特性，以及通過控制缺陷濃度和分布來優(yōu)化紫外發(fā)光性能具有重要意義。在實(shí)際制備ZnO薄膜時(shí)，應(yīng)采取有效的措施控制本征缺陷的產(chǎn)生，如優(yōu)化制備工藝、進(jìn)行后處理等，以獲得具有良好紫外發(fā)光性能的ZnO薄膜。4.2制備工藝相關(guān)因素4.2.1緩沖層的作用在ZnO薄膜的制備過程中，緩沖層的引入對(duì)于改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和增強(qiáng)紫外發(fā)射性能具有重要作用，這一作用在以TiO?、SiO?作為緩沖層的研究中得到了充分驗(yàn)證。以TiO?緩沖層為例，當(dāng)在Si襯底上生長ZnO薄膜時(shí)，由于Si襯底與ZnO薄膜之間存在較大的晶格失配和熱失配，在生長過程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶質(zhì)量下降，同時(shí)也會(huì)引入較多的缺陷，如氧空位等，這些缺陷會(huì)影響薄膜的光學(xué)性能，降低紫外發(fā)射性能。而TiO?緩沖層的加入能夠有效地緩解這一問題。TiO?的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與ZnO具有一定的匹配度，它可以作為中間過渡層，減小ZnO薄膜與Si襯底之間的晶格失配和熱失配。通過在Si襯底上先沉積一層TiO?緩沖層，ZnO原子在生長時(shí)可以在TiO?緩沖層表面形成更有序的核，促進(jìn)ZnO薄膜的外延生長，從而提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。研究表明，在TiO?緩沖層上生長的ZnO薄膜，其XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，半高寬變窄，這表明薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到了顯著改善。在光學(xué)性能方面，由于結(jié)晶質(zhì)量的提高，薄膜中的缺陷濃度降低，減少了非輻射復(fù)合中心，使得紫外發(fā)射性能得到增強(qiáng)。通過光致發(fā)光光譜測試發(fā)現(xiàn)，具有TiO?緩沖層的ZnO薄膜的紫外發(fā)光強(qiáng)度比沒有緩沖層的薄膜提高了數(shù)倍。SiO?緩沖層同樣在改善ZnO薄膜性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在Si襯底上生長ZnO薄膜時(shí)，高溫條件下Si襯底表面的Si原子容易從ZnO薄膜中“掠取”氧原子，導(dǎo)致ZnO薄膜中出現(xiàn)大量氧空位缺陷，嚴(yán)重影響薄膜的性能。SiO?緩沖層具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠阻止Si原子與ZnO薄膜中的氧原子發(fā)生反應(yīng)，從而減少氧空位缺陷的產(chǎn)生。SiO?緩沖層還可以調(diào)節(jié)ZnO薄膜的生長應(yīng)力，改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。在SiO?緩沖層上生長的ZnO薄膜，其晶體結(jié)構(gòu)更加完整，缺陷密度降低。從微觀結(jié)構(gòu)來看，SiO?緩沖層能夠?yàn)閆nO薄膜的生長提供一個(gè)相對(duì)平整的表面，使得ZnO原子在生長過程中更容易排列成有序的晶體結(jié)構(gòu)。在紫外發(fā)射性能方面，由于SiO?緩沖層減少了薄膜中的缺陷，提高了晶體質(zhì)量，使得ZnO薄膜的紫外發(fā)光效率顯著提高，發(fā)光光譜的半高寬變窄，光譜純度提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在SiO?緩沖層上制備的ZnO薄膜，其紫外發(fā)光峰強(qiáng)度比未使用緩沖層的薄膜提高了50%以上，且發(fā)光峰更加尖銳。TiO?和SiO?緩沖層通過解決晶格失配和熱失配問題，以及減少薄膜中的缺陷，有效地提高了ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和增強(qiáng)了紫外發(fā)射性能。在實(shí)際制備ZnO薄膜時(shí)，合理選擇和設(shè)計(jì)緩沖層的材料、厚度和生長工藝，對(duì)于制備高質(zhì)量、高性能的ZnO薄膜具有重要意義。未來的研究可以進(jìn)一步探索新型緩沖層材料和優(yōu)化緩沖層的結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高ZnO薄膜在光電器件中的應(yīng)用性能。4.2.2膜厚的影響膜厚對(duì)ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和紫外發(fā)射性能有著顯著的影響，這種影響在實(shí)驗(yàn)研究中得到了清晰的呈現(xiàn)，揭示了膜厚與晶體生長模式和發(fā)光性能之間的緊密聯(lián)系。通過一系列的實(shí)驗(yàn)，研究人員采用溶膠-凝膠法在玻璃襯底上制備了不同膜厚的ZnO薄膜。當(dāng)膜厚較小時(shí)，如小于50nm，ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量相對(duì)較差。從XRD圖譜分析可知，此時(shí)(002)晶面的衍射峰強(qiáng)度較弱，半高寬較寬，表明薄膜中的晶粒尺寸較小，結(jié)晶不夠完善，晶體的取向度也較低。這是因?yàn)樵诒∧どL初期，原子的擴(kuò)散和排列受到襯底表面狀態(tài)和生長動(dòng)力學(xué)的影響較大，原子難以形成較大尺寸的有序晶粒。在這種情況下，薄膜中的缺陷較多，如晶界、位錯(cuò)等，這些缺陷會(huì)影響電子的傳輸和復(fù)合過程，進(jìn)而對(duì)紫外發(fā)射性能產(chǎn)生負(fù)面影響。通過光致發(fā)光光譜測試發(fā)現(xiàn)，薄膜的紫外發(fā)光強(qiáng)度較弱，且光譜中可能存在較多的雜峰，這是由于缺陷導(dǎo)致的非輻射復(fù)合增加，降低了發(fā)光效率。隨著膜厚的逐漸增加，如達(dá)到100-200nm，ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到明顯改善。XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，半高寬變窄，說明薄膜中的晶粒尺寸增大，結(jié)晶質(zhì)量提高，晶體的取向度也有所提高。這是因?yàn)殡S著膜厚的增加，原子有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散和排列，能夠逐漸形成更穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過程中，晶體的生長模式逐漸由縱向式生長向側(cè)向式生長轉(zhuǎn)變。在生長初期，原子主要沿著垂直于襯底的方向生長，形成縱向生長的晶粒；隨著膜厚的增加，原子在側(cè)向方向上的擴(kuò)散和排列逐漸增強(qiáng)，晶粒開始向側(cè)向生長，使得晶體結(jié)構(gòu)更加致密和有序。在紫外發(fā)射性能方面，由于結(jié)晶質(zhì)量的提高，缺陷濃度降低，薄膜的紫外發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，發(fā)光光譜的半高寬變窄，光譜純度提高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，膜厚為150nm的ZnO薄膜的紫外發(fā)光強(qiáng)度比膜厚為50nm的薄膜提高了約3倍，且發(fā)光峰更加尖銳，表明發(fā)光效率和光譜質(zhì)量得到了顯著提升。當(dāng)膜厚繼續(xù)增加，超過一定厚度后，如大于300nm，雖然薄膜的結(jié)晶質(zhì)量仍保持較好，但紫外發(fā)射性能的提升逐漸趨于平緩。這是因?yàn)樵谳^厚的薄膜中，原子的擴(kuò)散和排列已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，進(jìn)一步增加膜厚對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的改善作用有限。隨著膜厚的增加，薄膜中的應(yīng)力也可能逐漸積累，這可能會(huì)對(duì)發(fā)光性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。較厚的薄膜可能會(huì)導(dǎo)致光在薄膜內(nèi)部的散射增加，降低光的出射效率。當(dāng)膜厚達(dá)到400nm時(shí)，紫外發(fā)光強(qiáng)度的增加幅度明顯減小，且薄膜的應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋等缺陷可能會(huì)對(duì)發(fā)光性能產(chǎn)生一定的干擾，使得發(fā)光性能的提升不再明顯。膜厚通過影響ZnO薄膜的晶體生長模式和結(jié)晶質(zhì)量，對(duì)紫外發(fā)射性能產(chǎn)生重要影響。在制備ZnO薄膜時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理控制膜厚，以獲得最佳的結(jié)晶質(zhì)量和紫外發(fā)射性能。通過深入研究膜厚與晶體生長和發(fā)光性能之間的關(guān)系，可以為ZnO薄膜在光電器件中的應(yīng)用提供更精準(zhǔn)的工藝參數(shù)和理論支持。4.2.3退火處理的影響退火處理是調(diào)控ZnO薄膜性能的重要手段，其對(duì)薄膜殘余應(yīng)力的影響以及殘余應(yīng)力改變對(duì)ZnO薄膜紫外熒光發(fā)射能量和發(fā)光性能的作用機(jī)制，是深入理解ZnO薄膜光學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵。在ZnO薄膜的制備過程中，由于原子的沉積和排列過程以及薄膜與襯底之間的熱膨脹系數(shù)差異等因素，薄膜內(nèi)部不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)薄膜存在較大的殘余應(yīng)力時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生畸變，原子間的鍵長和鍵角會(huì)發(fā)生改變，從而影響電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷過程。在這種情況下，薄膜的紫外熒光發(fā)射能量和發(fā)光性能會(huì)受到負(fù)面影響。退火處理能夠有效地調(diào)整ZnO薄膜中的殘余應(yīng)力。在退火過程中，原子獲得足夠的能量進(jìn)行擴(kuò)散和重新排列，使得薄膜內(nèi)部的應(yīng)力得以釋放和重新分布。當(dāng)在適當(dāng)?shù)臏囟群蜌夥障逻M(jìn)行退火時(shí)，薄膜中的原子能夠通過擴(kuò)散消除晶格中的微小缺陷和應(yīng)力集中區(qū)域，使晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在氧氣氣氛中，退火溫度為500℃-600℃時(shí)，ZnO薄膜中的氧空位等缺陷能夠得到修復(fù)，同時(shí)殘余應(yīng)力也能夠得到有效緩解。通過X射線衍射（XRD）和拉曼光譜等技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，退火后薄膜的XRD圖譜中(002)晶面的衍射峰位置和半高寬發(fā)生變化，表明晶體結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，殘余應(yīng)力得到了降低。拉曼光譜中的特征峰也會(huì)發(fā)生位移和強(qiáng)度變化，進(jìn)一步證明了殘余應(yīng)力的改變和晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)整。殘余應(yīng)力的改變對(duì)ZnO薄膜的紫外熒光發(fā)射能量和發(fā)光性能有著重要影響。當(dāng)殘余應(yīng)力降低時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)也更加規(guī)則。在這種情況下，電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的躍遷過程更加順暢，紫外熒光發(fā)射能量更加穩(wěn)定，發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。研究表明，經(jīng)過退火處理后，ZnO薄膜的紫外發(fā)光峰位更加穩(wěn)定，發(fā)光強(qiáng)度比退火前提高了數(shù)倍。這是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的降低減少了非輻射復(fù)合中心，使得電子-空穴對(duì)能夠更有效地以輻射復(fù)合的方式發(fā)光。殘余應(yīng)力的改變還可能影響激子的束縛能和復(fù)合過程。當(dāng)殘余應(yīng)力降低時(shí)，激子的束縛能更加穩(wěn)定，激子在復(fù)合過程中能夠更有效地將能量轉(zhuǎn)化為光子，從而提高發(fā)光效率和光譜純度。相反，當(dāng)退火處理不當(dāng)，如退火溫度過高或時(shí)間過長時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致薄膜中的原子過度擴(kuò)散，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，反而引入新的應(yīng)力和缺陷。在這種情況下，薄膜的紫外熒光發(fā)射能量可能會(huì)發(fā)生波動(dòng)，發(fā)光性能會(huì)下降。當(dāng)退火溫度超過800℃時(shí)，ZnO薄膜中可能會(huì)出現(xiàn)晶格的破壞和再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)變差，殘余應(yīng)力增加，紫外發(fā)光強(qiáng)度減弱，光譜半高寬增大。退火處理通過影響ZnO薄膜的殘余應(yīng)力，對(duì)紫外熒光發(fā)射能量和發(fā)光性能產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際制備ZnO薄膜時(shí)，需要精確控制退火條件，如退火溫度、時(shí)間和氣氛等，以獲得最佳的殘余應(yīng)力狀態(tài)和發(fā)光性能。通過深入研究退火處理與殘余應(yīng)力以及發(fā)光性能之間的關(guān)系，可以為優(yōu)化ZnO薄膜的制備工藝和提高其在光電器件中的應(yīng)用性能提供有力的理論支持。4.3摻雜對(duì)紫外發(fā)光的影響4.3.1不同摻雜元素的作用不同摻雜元素對(duì)ZnO薄膜紫外發(fā)光性能的影響差異顯著，這種差異源于摻雜元素自身的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，它們通過改變ZnO薄膜的能帶結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)以及電子躍遷過程，對(duì)紫外發(fā)光產(chǎn)生獨(dú)特的作用。Ag作為一種常見的摻雜元素，在適量摻雜時(shí)，能夠?qū)nO薄膜的紫外發(fā)光性能起到顯著的提升作用。從原子結(jié)構(gòu)角度來看，Ag的原子半徑與Zn較為接近，在摻雜過程中，Ag原子能夠相對(duì)容易地取代ZnO晶格中的Zn原子。這種取代會(huì)導(dǎo)致ZnO薄膜的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引入新的能級(jí)。研究表明，Ag摻雜會(huì)在ZnO的禁帶中引入一些位于導(dǎo)帶底附近的雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)為電子躍遷提供了新的通道，使得電子在躍遷過程中更容易發(fā)生輻射復(fù)合，從而提高了紫外發(fā)光效率。通過光致發(fā)光光譜測試發(fā)現(xiàn)，在一定的摻雜濃度范圍內(nèi)，隨著Ag摻雜濃度的增加，ZnO薄膜的紫外發(fā)光峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這表明Ag摻雜有效地促進(jìn)了紫外發(fā)光。Ag摻雜還可能影響ZnO薄膜中的缺陷狀態(tài)，減少非輻射復(fù)合中心的數(shù)量，進(jìn)一步提高了發(fā)光效率。例如，Ag原子的引入可能會(huì)與薄膜中的氧空位等缺陷相互作用，修復(fù)這些缺陷，從而降低非輻射復(fù)合的幾率。Mg摻雜則會(huì)使ZnO薄膜的紫外發(fā)光峰位發(fā)生藍(lán)移。Mg的原子半徑比Zn小，當(dāng)Mg原子摻入ZnO晶格中取代Zn原子時(shí)，會(huì)導(dǎo)致晶格發(fā)生收縮，從而改變ZnO的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布。從能帶結(jié)構(gòu)的角度分析，Mg摻雜會(huì)增大ZnO的禁帶寬度。這是因?yàn)镸g的2s和2p軌道與O的2p軌道相互作用，使得價(jià)帶頂下移，而導(dǎo)帶底基本不變，從而導(dǎo)致禁帶寬度增大。根據(jù)光子能量與波長的關(guān)系E=hc/λ（其中E為光子能量，h為普朗克常量，c為光速，λ為波長），禁帶寬度的增大意味著電子躍遷時(shí)釋放的光子能量增加，從而使得紫外發(fā)光峰位向短波方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)Mg的摻雜濃度逐漸增加時(shí)，ZnO薄膜的紫外發(fā)光峰位從約380nm逐漸藍(lán)移至360nm左右，且在一定濃度范圍內(nèi)，藍(lán)移程度與Mg摻雜濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。In摻雜對(duì)ZnO薄膜紫外發(fā)光性能的影響也較為獨(dú)特。In的原子半徑比Zn大，在摻雜過程中，In原子可能會(huì)占據(jù)ZnO晶格中的間隙位置或取代Zn原子。In的摻入同樣會(huì)改變ZnO薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，在禁帶中引入新的雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)的位置和性質(zhì)與In的摻雜濃度以及在晶格中的占位情況密切相關(guān)。在某些情況下，In摻雜會(huì)導(dǎo)致ZnO薄膜的紫外發(fā)光峰強(qiáng)度增強(qiáng)，這可能是由于In引入的雜質(zhì)能級(jí)促進(jìn)了電子的躍遷過程，增加了輻射復(fù)合的幾率。In摻雜還可能影響ZnO薄膜中的載流子濃度和遷移率，進(jìn)而影響發(fā)光性能。當(dāng)In摻雜濃度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變加劇，引入過多的缺陷，從而降低紫外發(fā)光性能，使得發(fā)光峰強(qiáng)度減弱，峰位也可能發(fā)生變化。不同摻雜元素由于其原子結(jié)構(gòu)和電子特性的差異，在摻入ZnO薄膜后，通過改變能帶結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)和電子躍遷過程等方式，對(duì)ZnO薄膜的紫外發(fā)光性能產(chǎn)生各不相同的影