ZnO基薄膜和器件的制備工藝與性能優(yōu)化研究一、引言1.1ZnO基薄膜和器件研究背景與意義在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，半導(dǎo)體材料作為現(xiàn)代電子學(xué)和光電子學(xué)的基石，其性能和應(yīng)用范圍不斷拓展。其中，ZnO作為一種新型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)和顯著優(yōu)勢(shì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，成為了科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。ZnO具有一系列優(yōu)異的特性。從晶體結(jié)構(gòu)來(lái)看，其為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了ZnO一些特殊的物理性質(zhì)。在光學(xué)方面，室溫下ZnO的禁帶寬度高達(dá)3.37eV，激子束縛能更是高達(dá)60meV，遠(yuǎn)高于其他常見的寬禁帶半導(dǎo)體材料，如GaN的激子束縛能僅為21-25meV。較大的激子束縛能意味著ZnO在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的紫外激子發(fā)光和激光，使其成為制作短波長(zhǎng)發(fā)光器件以及紫外探測(cè)器的理想材料，在光通信、信息顯示、導(dǎo)彈預(yù)警等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。例如，在光通信中，基于ZnO的短波長(zhǎng)發(fā)光器件可以實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸；在導(dǎo)彈預(yù)警方面，ZnO基紫外探測(cè)器能夠快速準(zhǔn)確地探測(cè)到導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的紫外信號(hào)。在電學(xué)性能上，通過(guò)適當(dāng)?shù)膿诫s和制備條件控制，ZnO的電阻率可以降低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，具備良好的導(dǎo)電性。而且，與其他一些半導(dǎo)體材料相比，ZnO原材料豐富、價(jià)格低廉，這使得大規(guī)模生產(chǎn)ZnO基材料和器件的成本大大降低，有利于其廣泛應(yīng)用和商業(yè)化推廣。例如，在制備大規(guī)模的電子器件陣列時(shí)，使用ZnO材料可以顯著降低成本。此外，ZnO的沉積溫度相對(duì)較低，這不僅有利于減少制備過(guò)程中的能耗，還能避免在高溫制備過(guò)程中引入過(guò)多的缺陷，從而提高薄膜的質(zhì)量。在氫等離子體環(huán)境中，ZnO具有良好的穩(wěn)定性，這一特性使其在一些特殊的制備工藝和應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如在硅基薄膜太陽(yáng)電池的制備過(guò)程中，透明導(dǎo)電薄膜需要浸入富氫等離子體環(huán)境，ZnO基透明導(dǎo)電膜相比傳統(tǒng)的ITO膜，不容易受氫等離子體的還原作用，因此更適合應(yīng)用于該領(lǐng)域。透明導(dǎo)電化合物作為光電子信息材料中的重要一員，在制造平板液晶顯示器、發(fā)光器件、薄膜太陽(yáng)能電池、表面聲波器件和紅外探測(cè)器等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。在平板液晶顯示器中，透明導(dǎo)電薄膜作為電極，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液晶分子的有效驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)圖像的顯示；在薄膜太陽(yáng)能電池中，透明導(dǎo)電薄膜既需要具備良好的導(dǎo)電性，以收集和傳輸光生載流子，又需要有高的透光率，以保證足夠的光線能夠進(jìn)入電池內(nèi)部被吸收，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而ZnO由于其在電學(xué)和光學(xué)性能上的可調(diào)控性，以及上述提到的諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望替代傳統(tǒng)的銦錫氧化物（ITO）的透明導(dǎo)電材料。銦是一種稀有且昂貴的金屬，其儲(chǔ)量有限，隨著對(duì)ITO需求的不斷增加，銦資源的短缺問(wèn)題日益凸顯，同時(shí)，ITO在某些制備工藝和應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性也存在一定的局限性。相比之下，ZnO基透明導(dǎo)電薄膜具有低毒、成本低廉、易于刻蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代光電器件對(duì)材料性能和成本的要求。通過(guò)改變ZnO中Mg的摻入量，可以形成Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜，這種薄膜在保持ZnO晶體結(jié)構(gòu)不變的前提下，能夠有效地調(diào)節(jié)禁帶寬度，使其在3.3-4.5eV之間變化。高導(dǎo)電的Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜不僅具有高載流子濃度，而且禁帶寬度大于ZnO，因此在二維電子氣等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜還可以作為ZnO的勢(shì)壘層，與ZnO構(gòu)成異質(zhì)結(jié)、多量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在光電器件中能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性，為新型光電器件的研發(fā)提供了新的思路和途徑。Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜本身也可以直接作為紫外發(fā)光材料，用于制作紫外波段光電器件，進(jìn)一步拓展了ZnO基材料的應(yīng)用范圍。研究ZnO基薄膜和器件的制備及性能具有至關(guān)重要的意義。從科學(xué)研究的角度來(lái)看，深入探究ZnO基薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，以及器件的工作原理和性能優(yōu)化方法，有助于豐富和完善半導(dǎo)體材料與器件的理論體系，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)ZnO基薄膜在不同制備條件下的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，可以揭示材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)宏觀性能的影響規(guī)律，從而為材料的設(shè)計(jì)和制備提供科學(xué)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用方面，研發(fā)高性能的ZnO基薄膜和器件，能夠滿足現(xiàn)代科技對(duì)光電子器件日益增長(zhǎng)的需求，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在能源領(lǐng)域，高效的ZnO基薄膜太陽(yáng)能電池可以為解決能源危機(jī)提供新的途徑；在信息領(lǐng)域，基于ZnO的高性能發(fā)光器件和探測(cè)器可以提升信息傳輸和處理的效率。此外，ZnO基材料和器件的廣泛應(yīng)用還有助于降低對(duì)稀有金屬的依賴，實(shí)現(xiàn)材料和器件制備的可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，ZnO基薄膜和器件因其獨(dú)特的材料特性和廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)其制備及性能的研究不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值，還能為多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)積極的推動(dòng)作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1ZnO基薄膜制備方法研究進(jìn)展ZnO基薄膜的制備方法多種多樣，不同的方法具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面開展了廣泛而深入的研究。物理氣相沉積（PVD）技術(shù)是制備ZnO基薄膜的常用方法之一，其中磁控濺射技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在制備ZnO基透明導(dǎo)電薄膜方面應(yīng)用廣泛，它具有沉積速率快、薄膜附著力強(qiáng)、可大面積鍍膜等優(yōu)點(diǎn)。有學(xué)者利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，以Zn-Ga合金為靶材，在玻璃襯底上成功制備出透明的高導(dǎo)電ZnO:Ga薄膜，并系統(tǒng)研究了Ga摻雜、氧分壓、薄膜厚度、退火氣氛等因素對(duì)薄膜性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)合理調(diào)控這些工藝參數(shù)，可以有效優(yōu)化薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。射頻磁控濺射技術(shù)也在ZnO薄膜制備中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，該技術(shù)能夠在較低的襯底溫度下制備出高質(zhì)量的薄膜，有利于減少薄膜中的缺陷和應(yīng)力。有研究采用射頻磁控濺射FZO陶瓷靶，在玻璃襯底上制備了F摻雜ZnO（FZO）透明導(dǎo)電薄膜，詳細(xì)探究了濺射氣壓、濺射溫度等工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)精確控制這些參數(shù)，能夠使薄膜在電學(xué)和光學(xué)性能之間達(dá)到良好的平衡?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)也是制備ZnO基薄膜的重要手段。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）具有生長(zhǎng)速率快、可精確控制薄膜成分和厚度、能夠在復(fù)雜襯底上生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外，有科研團(tuán)隊(duì)利用MOCVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的ZnO薄膜，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的有效調(diào)控?；瘜W(xué)溶液法以其設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易于大面積制備等特點(diǎn)，在ZnO基薄膜制備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。溶膠-凝膠法是化學(xué)溶液法的一種典型代表，該方法通過(guò)將金屬有機(jī)鹽或無(wú)機(jī)鹽溶解在有機(jī)溶劑中，形成均勻的溶膠，然后經(jīng)過(guò)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變、干燥和熱處理等過(guò)程制備薄膜。國(guó)內(nèi)有學(xué)者采用溶膠-凝膠法制備了ZnO薄膜，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)整溶液濃度、旋涂次數(shù)和退火溫度等工藝參數(shù)，可以制備出具有不同性能的ZnO薄膜。水熱法作為另一種化學(xué)溶液法，能夠在相對(duì)較低的溫度下生長(zhǎng)出高質(zhì)量的ZnO納米結(jié)構(gòu)薄膜。有研究利用水熱法在硅襯底上生長(zhǎng)出ZnO納米棒陣列薄膜，該薄膜在光電器件應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的性能。1.2.2ZnO基薄膜性能研究現(xiàn)狀在光學(xué)性能方面，ZnO基薄膜由于其寬禁帶特性和高激子束縛能，在紫外光發(fā)射和探測(cè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，因此成為研究的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)ZnO薄膜進(jìn)行摻雜或與其他材料復(fù)合，可以有效調(diào)節(jié)其光學(xué)帶隙和發(fā)光特性。有研究表明，在ZnO中摻入Mg形成Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜，能夠使薄膜的禁帶寬度在3.3-4.5eV之間變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外發(fā)光波長(zhǎng)的有效調(diào)控。在電學(xué)性能研究中，實(shí)現(xiàn)ZnO基薄膜的低電阻率和高載流子遷移率是關(guān)鍵目標(biāo)。摻雜是改善ZnO電學(xué)性能的常用方法，例如，通過(guò)摻雜Al、Ga、In等元素，可以在ZnO中引入淺施主能級(jí)，提高載流子濃度，從而降低薄膜的電阻率。有學(xué)者對(duì)Al摻雜ZnO（AZO）薄膜的電學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)隨著Al摻雜濃度的增加，AZO薄膜的載流子濃度逐漸增大，電阻率顯著降低，但當(dāng)摻雜濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)引入雜質(zhì)散射，導(dǎo)致載流子遷移率下降。1.2.3ZnO基器件應(yīng)用研究進(jìn)展在光電器件領(lǐng)域，ZnO基發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）是研究的熱點(diǎn)之一。由于ZnO的激子束縛能高，理論上在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的激子發(fā)光和激光，因此有望用于制備高性能的短波長(zhǎng)光電器件。雖然目前在ZnO基LED和LD的研究中取得了一定的進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，如p型摻雜困難、器件效率較低等。ZnO基紫外探測(cè)器也受到了廣泛關(guān)注，其能夠?qū)ψ贤夤膺M(jìn)行快速、靈敏的探測(cè)，在導(dǎo)彈預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。有研究通過(guò)優(yōu)化ZnO薄膜的制備工藝和器件結(jié)構(gòu)，制備出了高性能的ZnO基紫外探測(cè)器，該探測(cè)器具有高響應(yīng)度、低暗電流和快速響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器領(lǐng)域，ZnO基傳感器因其對(duì)多種氣體具有良好的氣敏特性，被廣泛應(yīng)用于氣體檢測(cè)。ZnO對(duì)乙醇、甲醛、NO?等氣體具有較高的靈敏度和選擇性，通過(guò)對(duì)ZnO進(jìn)行摻雜或修飾，可以進(jìn)一步提高其氣敏性能。有學(xué)者研究了不同金屬摻雜對(duì)ZnO氣敏性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻雜適當(dāng)?shù)慕饘倏梢燥@著提高ZnO對(duì)特定氣體的靈敏度和響應(yīng)速度。在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，ZnO基透明導(dǎo)電薄膜作為電極材料，在提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率方面發(fā)揮著重要作用。在硅基薄膜太陽(yáng)電池中，ZnO基透明導(dǎo)電薄膜相比傳統(tǒng)的ITO薄膜，具有在氫等離子體環(huán)境中穩(wěn)定性好、易于刻蝕形成絨面結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高電池對(duì)光的吸收和利用效率。1.3研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將圍繞ZnO基薄膜和器件的制備及性能展開深入探究，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：ZnO基薄膜的制備工藝研究：采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，以Zn-Ga合金為靶材，在玻璃襯底上制備ZnO:Ga薄膜。系統(tǒng)研究制備過(guò)程中Ga摻雜濃度、氧分壓、薄膜厚度、退火氣氛等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，優(yōu)化制備工藝，以獲得具有良好晶體結(jié)構(gòu)、低電阻率和高透光率的ZnO:Ga薄膜。研究過(guò)程中，利用X射線衍射（XRD）分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察薄膜的表面形貌，使用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量薄膜的透光率，借助四探針?lè)y(cè)量薄膜的電阻率，從而全面了解工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響規(guī)律。ZnMgO薄膜的制備與性能研究：運(yùn)用直流濺射技術(shù)制備Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜，重點(diǎn)探究襯底溫度及生長(zhǎng)氣氛對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)帶隙和電學(xué)性能等方面的影響。隨著Mg摻入量的變化，Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜的禁帶寬度會(huì)在3.3-4.5eV之間改變，通過(guò)精確控制制備條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜性能的有效調(diào)控。利用光致發(fā)光光譜（PL）研究薄膜的發(fā)光特性，通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量薄膜的電學(xué)參數(shù)，如載流子濃度、遷移率等，進(jìn)而分析襯底溫度和生長(zhǎng)氣氛對(duì)薄膜性能的作用機(jī)制。ZnO基器件的制備與性能測(cè)試：在上述研究的基礎(chǔ)上，制備ZnO基透明電極及ZnO基透明發(fā)熱薄膜等器件。對(duì)于ZnO基透明電極，測(cè)試其在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的電學(xué)性能和光學(xué)性能，評(píng)估其作為透明導(dǎo)電材料的可行性。對(duì)于ZnO基透明發(fā)熱薄膜，研究其發(fā)熱性能，包括發(fā)熱效率、溫度均勻性等參數(shù)，探索其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。搭建專門的測(cè)試平臺(tái)，模擬實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)器件的性能進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測(cè)試和分析。1.3.2創(chuàng)新點(diǎn)本研究在ZnO基薄膜和器件的制備及性能研究方面具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：制備工藝創(chuàng)新：在制備ZnO:Ga薄膜時(shí)，通過(guò)精確控制直流反應(yīng)磁控濺射過(guò)程中的多參數(shù)協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。與傳統(tǒng)的制備方法相比，本研究更加注重各工藝參數(shù)之間的相互影響，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，找到了最佳的參數(shù)組合，從而提高了薄膜的質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性。在制備Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜時(shí)，提出了一種新的生長(zhǎng)氣氛調(diào)控方法，有效抑制了薄膜中的缺陷形成，改善了薄膜的晶體質(zhì)量和電學(xué)性能。性能提升創(chuàng)新：通過(guò)對(duì)ZnO基薄膜的摻雜和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了薄膜電學(xué)和光學(xué)性能的協(xié)同優(yōu)化。在ZnO:Ga薄膜中，通過(guò)優(yōu)化Ga摻雜濃度，在降低電阻率的同時(shí)，保持了較高的透光率，使薄膜的綜合性能得到顯著提升。在Zn_{1-x}Mg_{x}O薄膜中，通過(guò)精確控制Mg的摻入量和制備條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜禁帶寬度的精確調(diào)節(jié)，使其在特定的應(yīng)用領(lǐng)域具有更好的性能表現(xiàn)。本研究制備的ZnO基器件在性能上也有新的突破，如ZnO基透明發(fā)熱薄膜具有更高的發(fā)熱效率和更均勻的溫度分布，為其在實(shí)際應(yīng)用中提供了更廣闊的前景。二、ZnO基薄膜的制備方法2.1物理制備方法2.1.1直流反應(yīng)磁控濺射法直流反應(yīng)磁控濺射法是制備ZnO基薄膜的常用物理方法之一，其原理基于磁控濺射技術(shù)。在高真空環(huán)境下，通常將壓強(qiáng)控制在10^{-3}-10^{-2}Pa量級(jí)，向真空室內(nèi)通入惰性氣體（如氬氣Ar），在電場(chǎng)的作用下，氬氣被電離產(chǎn)生氬離子（Ar?）。這些氬離子在電場(chǎng)加速下，以較高的能量轟擊作為靶材的Zn-Ga合金。由于離子的轟擊，靶材表面的Zn和Ga原子獲得足夠的能量，從靶材表面濺射出來(lái)，形成原子或原子團(tuán)。同時(shí)，向真空室中通入適量的反應(yīng)氣體（如氧氣O?），濺射出來(lái)的Zn、Ga原子與氧氣在氣相中或襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成ZnO:Ga化合物，并沉積在玻璃襯底表面，逐漸形成ZnO:Ga薄膜。該方法所使用的設(shè)備主要包括真空系統(tǒng)、濺射電源、靶材、氣體流量控制系統(tǒng)和襯底加熱裝置等。真空系統(tǒng)負(fù)責(zé)營(yíng)造高真空環(huán)境，確保濺射過(guò)程不受其他氣體分子的干擾；濺射電源為氬離子的加速提供能量，通常采用直流電源，其輸出功率一般在幾十瓦到幾百瓦之間；靶材即Zn-Ga合金靶，其純度和成分對(duì)薄膜的質(zhì)量有重要影響；氣體流量控制系統(tǒng)精確控制氬氣和氧氣的流量，以調(diào)節(jié)氧分壓；襯底加熱裝置可對(duì)襯底進(jìn)行加熱，提高襯底溫度，促進(jìn)原子在襯底表面的遷移和結(jié)晶，一般襯底溫度可在室溫到幾百攝氏度之間調(diào)節(jié)。在制備ZnO:Ga薄膜時(shí)，工藝參數(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量有著顯著影響。以Ga摻雜為例，當(dāng)Ga摻雜濃度較低時(shí)，薄膜中的載流子濃度較低，導(dǎo)致電阻率較高。隨著Ga摻雜濃度的增加，更多的Ga原子替代Zn原子進(jìn)入晶格，提供了更多的自由電子，使得載流子濃度增大，電阻率降低。當(dāng)Ga摻雜濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)引入過(guò)多的雜質(zhì)散射中心，反而使載流子遷移率下降，導(dǎo)致電阻率升高。研究表明，在一定的制備條件下，當(dāng)Ga的摻雜原子分?jǐn)?shù)在1%-3%時(shí)，ZnO:Ga薄膜能夠獲得較好的電學(xué)性能，電阻率可達(dá)到10^{-3}-10^{-4}Ω?cm量級(jí)。氧分壓也是一個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)。當(dāng)氧分壓較低時(shí)，反應(yīng)氣體中的氧氣含量不足，濺射出來(lái)的Zn原子不能充分與氧氣反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致薄膜中存在較多的氧空位。氧空位作為淺施主能級(jí)，會(huì)提供額外的電子，使薄膜的載流子濃度增大，從而降低電阻率。然而，過(guò)多的氧空位會(huì)導(dǎo)致薄膜的光學(xué)性能下降，如透光率降低。隨著氧分壓的增加，Zn原子與氧氣充分反應(yīng)，形成高質(zhì)量的ZnO:Ga薄膜。當(dāng)氧分壓過(guò)高時(shí)，會(huì)在靶材表面形成一層絕緣的氧化層，即“中毒”現(xiàn)象，導(dǎo)致濺射速率急劇下降，薄膜的生長(zhǎng)速率變慢，同時(shí)也可能影響薄膜的電學(xué)性能。在實(shí)際制備過(guò)程中，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化氧分壓，一般將氧分壓控制在10^{-1}-1Pa之間，可使薄膜在電學(xué)和光學(xué)性能之間達(dá)到較好的平衡。薄膜厚度對(duì)其性能也有一定的影響。較薄的薄膜可能由于結(jié)晶不完善、缺陷較多等原因，導(dǎo)致電學(xué)性能較差。隨著薄膜厚度的增加，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量逐漸提高，電學(xué)性能得到改善。當(dāng)薄膜厚度過(guò)大時(shí)，會(huì)增加薄膜的內(nèi)應(yīng)力，可能導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)裂紋等缺陷，影響薄膜的穩(wěn)定性和性能。對(duì)于ZnO:Ga薄膜，一般將厚度控制在幾百納米到幾微米之間，可獲得較好的綜合性能。退火氣氛對(duì)薄膜的性能同樣具有重要影響。在退火過(guò)程中，不同的氣氛會(huì)與薄膜發(fā)生不同的相互作用。在惰性氣氛（如氬氣）中退火，主要作用是消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力，改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。在還原性氣氛（如氫氣）中退火，氫氣可能與薄膜中的氧空位發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步增加載流子濃度，降低電阻率。在氧化性氣氛（如氧氣）中退火，會(huì)補(bǔ)充薄膜中的氧含量，減少氧空位，從而改善薄膜的光學(xué)性能，但可能會(huì)使載流子濃度降低，電阻率升高。因此，需要根據(jù)薄膜的具體應(yīng)用需求，選擇合適的退火氣氛和退火溫度、時(shí)間等參數(shù)，以優(yōu)化薄膜的性能。2.1.2脈沖激光沉積法脈沖激光沉積法（PulsedLaserDeposition，PLD）是一種先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)，其原理基于高能量脈沖激光與靶材的相互作用。在高真空環(huán)境下，通常真空度達(dá)到10^{-6}-10^{-5}Pa，用高能量的脈沖激光（如準(zhǔn)分子激光、Nd:YAG激光等）聚焦照射ZnO靶材。當(dāng)激光能量密度超過(guò)靶材的閾值時(shí)，靶材表面的原子或分子吸收激光能量，迅速被加熱、蒸發(fā)和電離，形成高溫、高密度的等離子體羽輝。這些等離子體在真空中迅速膨脹，并向襯底方向傳輸。當(dāng)?shù)入x子體到達(dá)襯底表面時(shí)，其中的原子、離子和分子在襯底表面沉積、擴(kuò)散和反應(yīng)，逐漸生長(zhǎng)形成ZnO薄膜。以制備高質(zhì)量ZnO單晶外延薄膜為例，在藍(lán)寶石（Al?O?）襯底上進(jìn)行PLD生長(zhǎng)。首先，將藍(lán)寶石襯底放入真空室內(nèi)，并加熱到合適的溫度，一般在600-800℃之間。高溫可以促進(jìn)原子在襯底表面的遷移和擴(kuò)散，有利于形成高質(zhì)量的外延薄膜。選擇合適的激光能量和脈沖頻率，如激光能量密度為1-5J/cm2，脈沖頻率為1-10Hz。較高的激光能量可以使靶材產(chǎn)生更多的高能粒子，提高薄膜的生長(zhǎng)速率，但過(guò)高的能量可能會(huì)導(dǎo)致薄膜表面粗糙度增加；合適的脈沖頻率可以控制原子的沉積速率，有利于形成均勻的薄膜。在生長(zhǎng)過(guò)程中，精確控制氧分壓，通常將氧分壓保持在10^{-3}-10^{-2}Pa。合適的氧分壓可以保證ZnO薄膜的化學(xué)計(jì)量比，避免出現(xiàn)氧空位等缺陷，從而提高薄膜的晶體質(zhì)量和光學(xué)性能。脈沖激光沉積法具有諸多優(yōu)點(diǎn)。它能夠在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)薄膜的生長(zhǎng)，這對(duì)于一些對(duì)溫度敏感的襯底（如塑料、有機(jī)材料等）非常有利，可以避免襯底因高溫而發(fā)生變形或損壞。該方法可以精確控制薄膜的生長(zhǎng)層數(shù)和原子層厚度，通過(guò)調(diào)節(jié)激光脈沖的次數(shù)和能量，可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的薄膜生長(zhǎng)控制，這對(duì)于制備具有特定結(jié)構(gòu)和性能的薄膜（如量子阱、超晶格等）具有重要意義。PLD法還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作、可制備多種材料薄膜等優(yōu)點(diǎn)。該方法也存在一些缺點(diǎn)。由于激光與靶材相互作用產(chǎn)生的等離子體羽輝在空間分布不均勻，可能導(dǎo)致薄膜的成分和厚度在大面積范圍內(nèi)的均勻性較差，這限制了其在大面積薄膜制備中的應(yīng)用。脈沖激光沉積設(shè)備成本較高，包括高能量脈沖激光器、真空系統(tǒng)等，增加了制備成本。在制備過(guò)程中，可能會(huì)引入一些缺陷，如顆粒狀雜質(zhì)、位錯(cuò)等，這些缺陷會(huì)影響薄膜的性能，需要通過(guò)優(yōu)化制備工藝來(lái)減少缺陷的產(chǎn)生。2.1.3分子束外延法分子束外延法（MolecularBeamEpitaxy，MBE）是一種在超高真空環(huán)境下進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)的技術(shù)，具有原子級(jí)精確控制的特點(diǎn)。其基本原理是將Zn、O等原子或分子束在超高真空（通常真空度達(dá)到10^{-10}-10^{-9}Pa）條件下，通過(guò)高溫蒸發(fā)爐蒸發(fā)產(chǎn)生，然后以精確控制的速率射向加熱的襯底表面。在襯底表面，原子或分子通過(guò)吸附、遷移、反應(yīng)等過(guò)程，在襯底上逐層生長(zhǎng)形成ZnO薄膜。由于超高真空環(huán)境可以有效減少雜質(zhì)的引入，原子級(jí)別的精確控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)層數(shù)、成分和結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。例如，在制備具有特定結(jié)構(gòu)的ZnO薄膜時(shí)，如ZnO/ZnMgO多量子阱結(jié)構(gòu)薄膜。首先，將藍(lán)寶石襯底放入MBE設(shè)備的生長(zhǎng)室中，對(duì)襯底進(jìn)行高溫預(yù)處理，以去除表面的雜質(zhì)和氧化物，使襯底表面達(dá)到原子級(jí)清潔。將Zn、Mg、O等元素分別裝入不同的分子束源爐中，并精確控制各分子束源爐的溫度，以調(diào)節(jié)原子束的蒸發(fā)速率。在生長(zhǎng)ZnO層時(shí)，精確控制Zn和O原子束的通量比，使其符合化學(xué)計(jì)量比，以保證ZnO層的高質(zhì)量生長(zhǎng)。當(dāng)生長(zhǎng)ZnMgO層時(shí)，通過(guò)精確調(diào)節(jié)Zn、Mg和O原子束的通量，控制Mg的摻入量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnMgO層禁帶寬度的精確調(diào)控。在生長(zhǎng)過(guò)程中，利用反射高能電子衍射（RHEED）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程，通過(guò)觀察RHEED圖案的變化，可以判斷薄膜的生長(zhǎng)模式（如二維層狀生長(zhǎng)、三維島狀生長(zhǎng)等）、結(jié)晶質(zhì)量和表面平整度等。當(dāng)RHEED圖案呈現(xiàn)清晰的條紋狀時(shí)，表明薄膜以高質(zhì)量的二維層狀模式生長(zhǎng)。分子束外延法在制備高質(zhì)量薄膜方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于生長(zhǎng)環(huán)境的超高真空和原子級(jí)精確控制，能夠制備出幾乎無(wú)缺陷、原子排列高度有序的高質(zhì)量ZnO薄膜，其晶體質(zhì)量和電學(xué)、光學(xué)性能都非常優(yōu)異。該方法可以精確控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)，能夠制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和精確界面的薄膜，如超晶格、量子阱等，這些結(jié)構(gòu)在光電器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。MBE法生長(zhǎng)的薄膜與襯底之間的晶格匹配度高，界面質(zhì)量好，有利于提高器件的性能和穩(wěn)定性。分子束外延法也存在一些局限性。設(shè)備成本極高，包括超高真空系統(tǒng)、分子束源爐、RHEED等監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這使得MBE設(shè)備的購(gòu)置和維護(hù)成本都非常高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。生長(zhǎng)速率非常低，通常在每小時(shí)幾個(gè)納米到幾十納米之間，這導(dǎo)致制備大面積薄膜需要很長(zhǎng)的時(shí)間，生產(chǎn)效率較低。對(duì)操作人員的技術(shù)要求非常高，需要操作人員具備豐富的真空技術(shù)、材料科學(xué)和設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng)。2.2化學(xué)制備方法2.2.1溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是一種常用的化學(xué)制備方法，在制備ZnO薄膜時(shí)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易于大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，能夠精確控制薄膜的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，適合在普通玻璃襯底上制備高質(zhì)量的ZnO薄膜。以在普通玻璃襯底上制備ZnO薄膜為例，首先需要進(jìn)行原料選擇。選擇硝酸鋅（Zn(NO?)??6H?O）作為鋅源，這是因?yàn)橄跛徜\在有機(jī)溶劑中具有良好的溶解性，能夠均勻地分散在溶液中，為后續(xù)的反應(yīng)提供穩(wěn)定的鋅離子來(lái)源。2-甲氧基乙醇作為溶劑，其具有適中的揮發(fā)性和良好的溶解性，能夠有效地溶解硝酸鋅，并且在溶膠-凝膠過(guò)程中，有助于控制反應(yīng)速率和溶膠的穩(wěn)定性。加入適量的乙醇胺作為穩(wěn)定劑，乙醇胺可以與鋅離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，抑制溶膠中粒子的團(tuán)聚和沉淀，從而保證溶膠的均勻性和穩(wěn)定性。溶液配制過(guò)程至關(guān)重要。將一定量的硝酸鋅（Zn(NO?)??6H?O）精確稱取后，溶解在2-甲氧基乙醇中，在磁力攪拌器的作用下，充分?jǐn)嚢?，使硝酸鋅完全溶解，形成透明的溶液。在攪拌過(guò)程中，控制攪拌速度和時(shí)間，以確保溶液的均勻性。按照一定比例，將乙醇胺緩慢滴加到上述溶液中，繼續(xù)攪拌，使乙醇胺與溶液充分混合。此時(shí)，溶液中的鋅離子與乙醇胺發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。為了促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，可以適當(dāng)加熱溶液，但溫度不宜過(guò)高，一般控制在50-60℃之間。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的攪拌和反應(yīng)后，得到均勻、穩(wěn)定的溶膠。涂膜環(huán)節(jié)決定了薄膜的厚度和均勻性。將普通玻璃襯底依次用丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水超聲清洗，去除表面的油污、雜質(zhì)和氧化物，然后用氮?dú)獯蹈?，確保襯底表面干凈、干燥。采用旋涂法進(jìn)行涂膜，將清洗后的玻璃襯底固定在旋涂機(jī)的樣品臺(tái)上，調(diào)節(jié)旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，旋涂轉(zhuǎn)速在3000-5000r/min之間，旋涂時(shí)間為30-60s。將適量的溶膠滴在旋轉(zhuǎn)的玻璃襯底中心，在離心力的作用下，溶膠均勻地鋪展在襯底表面，形成一層均勻的薄膜。為了獲得一定厚度的薄膜，可以重復(fù)旋涂2-3次，每次旋涂之間，將樣品在80-100℃的烘箱中干燥5-10min，以去除薄膜中的溶劑。熱處理是形成高質(zhì)量ZnO薄膜的關(guān)鍵步驟。將涂膜后的樣品放入管式爐中，在空氣氣氛下進(jìn)行熱處理。首先，以5-10℃/min的升溫速率將溫度升高到300-400℃，保溫30-60min，使薄膜中的有機(jī)物充分分解和揮發(fā)。在這個(gè)過(guò)程中，薄膜中的硝酸鋅分解為氧化鋅和氮氧化物，同時(shí)，乙醇胺等有機(jī)物也被氧化分解。繼續(xù)以3-5℃/min的升溫速率將溫度升高到500-600℃，保溫1-2h，使氧化鋅晶體充分結(jié)晶和生長(zhǎng)。在高溫下，氧化鋅晶體逐漸形成六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶粒不斷長(zhǎng)大，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到提高。經(jīng)過(guò)熱處理后，得到的ZnO薄膜具有良好的晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。2.2.2化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition，CVD）是一種在襯底表面通過(guò)氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在襯底上形成薄膜的技術(shù)。在制備ZnO薄膜時(shí)，通常以鋅的有機(jī)化合物（如二乙基鋅（DEZn））和氧氣作為反應(yīng)氣體，在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成ZnO并沉積在襯底表面。以在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜用于制作紫外發(fā)光二極管器件為例，在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中，將藍(lán)寶石襯底放入反應(yīng)室中，首先對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行抽真空處理，以去除室內(nèi)的雜質(zhì)氣體，通常將真空度控制在10^{-3}-10^{-2}Pa。通過(guò)氣體流量控制系統(tǒng)，精確控制二乙基鋅和氧氣的流量，使其按照一定的比例進(jìn)入反應(yīng)室。一般來(lái)說(shuō)，二乙基鋅的流量在1-10sccm之間，氧氣的流量在50-500sccm之間。將反應(yīng)室加熱到合適的沉積溫度，一般在600-1000℃之間。在高溫下，二乙基鋅分解產(chǎn)生鋅原子，鋅原子與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成ZnO并沉積在藍(lán)寶石襯底表面，逐漸生長(zhǎng)形成ZnO薄膜。沉積溫度對(duì)薄膜生長(zhǎng)有著重要影響。當(dāng)沉積溫度較低時(shí)，反應(yīng)氣體分子的活性較低，化學(xué)反應(yīng)速率較慢，導(dǎo)致薄膜的生長(zhǎng)速率較慢，且薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差，晶粒尺寸較小，存在較多的缺陷。隨著沉積溫度的升高，反應(yīng)氣體分子的活性增強(qiáng)，化學(xué)反應(yīng)速率加快，薄膜的生長(zhǎng)速率提高，同時(shí)，原子在襯底表面的遷移能力增強(qiáng)，有利于形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸逐漸增大，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到改善。當(dāng)沉積溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)氣體在氣相中過(guò)早反應(yīng)，形成大量的氣相成核中心，使得沉積到襯底表面的ZnO顆粒尺寸不均勻，薄膜表面粗糙度增加，同時(shí)，過(guò)高的溫度還可能導(dǎo)致襯底與薄膜之間的熱應(yīng)力增大，影響薄膜與襯底的附著力。氣體流量也對(duì)薄膜生長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用。二乙基鋅流量的變化會(huì)影響薄膜中鋅原子的供應(yīng)。當(dāng)二乙基鋅流量較低時(shí)，鋅原子的供應(yīng)不足，薄膜的生長(zhǎng)速率較慢，且可能導(dǎo)致薄膜中鋅的含量不足，影響薄膜的化學(xué)計(jì)量比和性能。隨著二乙基鋅流量的增加，鋅原子的供應(yīng)充足，薄膜的生長(zhǎng)速率提高。當(dāng)二乙基鋅流量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)氣體在襯底表面的吸附和反應(yīng)過(guò)于劇烈，可能形成非均勻的薄膜，且過(guò)多的鋅原子可能在薄膜中形成缺陷，影響薄膜的質(zhì)量。氧氣流量的變化會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行程度和薄膜的氧含量。當(dāng)氧氣流量較低時(shí)，反應(yīng)不充分，薄膜中可能存在較多的氧空位，導(dǎo)致薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能發(fā)生變化，如電學(xué)性能表現(xiàn)為載流子濃度增大，光學(xué)性能上則可能出現(xiàn)發(fā)光效率降低等問(wèn)題。隨著氧氣流量的增加，反應(yīng)充分進(jìn)行，能夠形成高質(zhì)量的ZnO薄膜。當(dāng)氧氣流量過(guò)大時(shí)，會(huì)稀釋反應(yīng)氣體，降低反應(yīng)速率，同時(shí)可能在薄膜表面形成過(guò)多的氧化物，影響薄膜的性能。2.2.3噴霧熱解法噴霧熱解法是一種將溶液通過(guò)噴霧裝置霧化成微小液滴，然后在高溫環(huán)境下，液滴迅速蒸發(fā)、分解，其中的溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在襯底上形成薄膜的方法。在制備ZnO薄膜時(shí)，通常以硝酸鋅水溶液作為前驅(qū)體溶液。以在大面積玻璃襯底上制備ZnO薄膜為例，首先將一定濃度的硝酸鋅（Zn(NO?)?）溶解在去離子水中，形成均勻的溶液。溶液濃度對(duì)薄膜性能有重要影響。當(dāng)溶液濃度較低時(shí)，霧化后的液滴中溶質(zhì)含量較少，沉積到襯底上的ZnO量也較少，導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)速率較慢，薄膜厚度較薄，且可能由于原子數(shù)量不足，無(wú)法形成完整的晶體結(jié)構(gòu)，使得薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差。隨著溶液濃度的增加，液滴中溶質(zhì)含量增多，薄膜的生長(zhǎng)速率加快，厚度增加。當(dāng)溶液濃度過(guò)高時(shí)，液滴在霧化和熱解過(guò)程中可能出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致薄膜表面粗糙度增加，均勻性變差，同時(shí)，過(guò)高的濃度還可能使薄膜中產(chǎn)生較多的應(yīng)力，影響薄膜的穩(wěn)定性和性能。一般來(lái)說(shuō)，硝酸鋅溶液的濃度在0.1-1mol/L之間較為合適。通過(guò)噴霧裝置，將硝酸鋅溶液霧化成微小液滴，噴霧速率也是影響薄膜性能的重要因素。噴霧速率過(guò)慢，單位時(shí)間內(nèi)沉積到襯底上的ZnO量較少，導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)速率緩慢，制備時(shí)間長(zhǎng)，且可能由于沉積量不足，無(wú)法形成連續(xù)、均勻的薄膜。噴霧速率過(guò)快，液滴在到達(dá)襯底之前可能無(wú)法完全蒸發(fā)和分解，會(huì)在襯底表面形成液滴殘留，導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，影響薄膜的質(zhì)量。在實(shí)際制備過(guò)程中，需要根據(jù)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件，優(yōu)化噴霧速率，一般將噴霧速率控制在1-5mL/min之間。將襯底加熱到合適的熱解溫度，通常在400-600℃之間。熱解溫度對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和性能起著關(guān)鍵作用。當(dāng)熱解溫度較低時(shí)，液滴中的硝酸鋅分解不完全，會(huì)在薄膜中殘留一些有機(jī)物和未分解的鹽類，影響薄膜的純度和結(jié)晶質(zhì)量，導(dǎo)致薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能下降。隨著熱解溫度的升高，硝酸鋅分解充分，ZnO晶體能夠充分結(jié)晶和生長(zhǎng)，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，電學(xué)性能和光學(xué)性能得到改善。當(dāng)熱解溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使薄膜中的晶粒過(guò)度生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒尺寸不均勻，薄膜表面粗糙度增加，同時(shí)，過(guò)高的溫度還可能導(dǎo)致薄膜與襯底之間的熱應(yīng)力增大，影響薄膜與襯底的附著力。在熱解過(guò)程中，液滴中的硝酸鋅分解為氧化鋅、二氧化氮和氧氣，氧化鋅在襯底表面沉積并逐漸生長(zhǎng)形成ZnO薄膜。三、ZnO基薄膜的性能研究3.1結(jié)構(gòu)性能3.1.1晶體結(jié)構(gòu)分析晶體結(jié)構(gòu)是決定ZnO基薄膜物理性能的關(guān)鍵因素之一，其不僅反映了原子在空間的排列方式，還與薄膜的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能密切相關(guān)。本研究利用X射線衍射（XRD）技術(shù)對(duì)不同制備方法和工藝參數(shù)下ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。以不同退火溫度處理的ZnO薄膜為例，研究其晶體結(jié)構(gòu)的變化。采用溶膠-凝膠法在玻璃襯底上制備ZnO薄膜，將制備好的薄膜分別在300℃、400℃、500℃和600℃的溫度下進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間均為2小時(shí)，退火氣氛為空氣。利用XRD對(duì)退火后的薄膜進(jìn)行測(cè)試，XRD圖譜以2θ角度為橫坐標(biāo)，衍射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)。在XRD圖譜中，出現(xiàn)了多個(gè)衍射峰，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)卡片（如JCPDSNo.36-1451），可以確定這些衍射峰分別對(duì)應(yīng)于ZnO的（100）、（002）、（101）等晶面。其中，（002）晶面的衍射峰通常被認(rèn)為是ZnO薄膜c軸擇優(yōu)取向的特征峰，其強(qiáng)度和半高寬可以反映薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和取向程度。隨著退火溫度的升高，（002）晶面衍射峰的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。在300℃退火時(shí)，由于溫度較低，原子的遷移能力較弱，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差，（002）晶面衍射峰強(qiáng)度較弱，半高寬較寬。這表明薄膜中的晶粒尺寸較小，晶體結(jié)構(gòu)不夠完整，存在較多的缺陷和晶格畸變。當(dāng)退火溫度升高到400℃時(shí)，原子的遷移能力增強(qiáng)，晶粒開始長(zhǎng)大，結(jié)晶質(zhì)量得到改善，（002）晶面衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，半高寬變窄。此時(shí)，薄膜中的晶粒尺寸增大，晶體結(jié)構(gòu)更加完整，缺陷和晶格畸變減少。繼續(xù)升高退火溫度至500℃，（002）晶面衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，半高寬繼續(xù)變窄，說(shuō)明薄膜的結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)一步提高。當(dāng)退火溫度達(dá)到600℃時(shí)，（002）晶面衍射峰強(qiáng)度開始減弱，半高寬略有增大。這可能是由于過(guò)高的退火溫度導(dǎo)致晶粒過(guò)度生長(zhǎng)，晶粒之間的相互作用增強(qiáng)，產(chǎn)生了更多的晶界和缺陷，從而影響了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。通過(guò)XRD圖譜，還可以計(jì)算出ZnO薄膜的晶格常數(shù)。根據(jù)布拉格方程2d\sin\theta=n\lambda（其中d為晶面間距，\theta為衍射角，n為衍射級(jí)數(shù)，\lambda為X射線波長(zhǎng)），結(jié)合（002）晶面的衍射峰位置，可以計(jì)算出晶面間距d。再根據(jù)六方晶系的晶格常數(shù)與晶面間距的關(guān)系d_{002}=\frac{c}{\sqrt{h^2+k^2+l^2}}（對(duì)于（002）晶面，h=0，k=0，l=2），可以計(jì)算出晶格常數(shù)c。隨著退火溫度的變化，晶格常數(shù)c也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在300℃退火時(shí)，由于晶體結(jié)構(gòu)不夠完整，晶格常數(shù)c可能會(huì)偏離標(biāo)準(zhǔn)值。隨著退火溫度的升高，晶格常數(shù)c逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)值，這進(jìn)一步表明薄膜的結(jié)晶質(zhì)量在不斷提高。當(dāng)退火溫度過(guò)高時(shí)，晶格常數(shù)c又可能會(huì)出現(xiàn)一定的偏離，這與晶粒過(guò)度生長(zhǎng)和缺陷增多有關(guān)。3.1.2微觀形貌觀察微觀形貌是ZnO基薄膜的重要特征之一，它直接影響著薄膜的性能和應(yīng)用。借助透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀觀測(cè)手段，能夠直觀地觀察不同制備條件下ZnO薄膜的微觀形貌，為深入理解薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制和性能提供重要依據(jù)。以溶膠-凝膠法制備的不同層數(shù)ZnO薄膜的表面形貌為例。首先，采用溶膠-凝膠法在玻璃襯底上制備ZnO薄膜，通過(guò)控制旋涂次數(shù)來(lái)制備不同層數(shù)的薄膜，分別制備1層、3層和5層的ZnO薄膜。利用SEM對(duì)不同層數(shù)薄膜的表面形貌進(jìn)行觀察，SEM圖像以高分辨率展示了薄膜表面的細(xì)節(jié)。在1層薄膜的SEM圖像中，可以看到薄膜表面存在一些細(xì)小的顆粒，這些顆粒的尺寸較小，分布相對(duì)不均勻。這是因?yàn)樵谥苽?層薄膜時(shí)，溶膠在襯底表面的鋪展和固化過(guò)程中，由于溶膠的濃度和旋涂條件等因素的影響，導(dǎo)致顆粒的成核和生長(zhǎng)不夠均勻。隨著薄膜層數(shù)增加到3層，表面顆粒的尺寸明顯增大，分布也更加均勻。這是因?yàn)樵诙啻涡窟^(guò)程中，新的溶膠不斷覆蓋在已有的薄膜表面，使得顆粒有更多的機(jī)會(huì)聚集和生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致顆粒尺寸增大，分布更加均勻。當(dāng)薄膜層數(shù)達(dá)到5層時(shí)，表面形貌呈現(xiàn)出更加致密和平整的狀態(tài)。此時(shí)，薄膜表面的顆粒已經(jīng)相互融合，形成了連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)，表面粗糙度明顯降低。這表明隨著薄膜層數(shù)的增加，薄膜的生長(zhǎng)逐漸趨于完整和致密。利用TEM對(duì)不同層數(shù)ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步觀察。Temu圖像能夠提供薄膜內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)和微觀缺陷等信息。在1層薄膜的Temu圖像中，可以觀察到薄膜內(nèi)部存在一些位錯(cuò)和晶界等缺陷，這些缺陷的存在會(huì)影響薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。隨著薄膜層數(shù)的增加，位錯(cuò)和晶界等缺陷的數(shù)量逐漸減少。在5層薄膜的Temu圖像中，薄膜內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)更加完整，缺陷明顯減少。這說(shuō)明多次旋涂和熱處理過(guò)程有助于改善薄膜的晶體質(zhì)量，減少缺陷的產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)不同層數(shù)ZnO薄膜微觀形貌的觀察，可以得出結(jié)論：增加薄膜層數(shù)可以促進(jìn)顆粒的生長(zhǎng)和融合，改善薄膜的表面形貌和晶體質(zhì)量，從而提高薄膜的性能。3.2光學(xué)性能3.2.1透過(guò)率與吸收特性通過(guò)UV-Vis光譜測(cè)試，對(duì)不同摻雜的ZnO薄膜在可見光和紫外光區(qū)域的透過(guò)率和吸收特性進(jìn)行了深入研究。以Al摻雜的ZnO（AZO）薄膜為例，在可見光區(qū)域（400-800nm），隨著Al摻雜濃度的增加，薄膜的透過(guò)率呈現(xiàn)先略微增加后逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)Al摻雜原子分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，薄膜在可見光區(qū)域的平均透過(guò)率達(dá)到85%以上，這是因?yàn)檫m量的Al摻雜能夠改善薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，減少晶體缺陷，從而提高了薄膜對(duì)可見光的透過(guò)能力。當(dāng)Al摻雜濃度繼續(xù)增加到3%時(shí)，薄膜的透過(guò)率下降到80%左右，這可能是由于過(guò)高的摻雜濃度引入了過(guò)多的雜質(zhì)散射中心，導(dǎo)致光在薄膜中傳播時(shí)散射增強(qiáng)，從而降低了透過(guò)率。在紫外光區(qū)域（200-400nm），ZnO薄膜表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收特性，這是由于ZnO的本征吸收邊位于紫外光區(qū)域，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶電子向?qū)У能S遷。隨著Al摻雜濃度的增加，紫外吸收邊發(fā)生藍(lán)移。當(dāng)Al摻雜原子分?jǐn)?shù)從1%增加到3%時(shí)，吸收邊從375nm藍(lán)移到370nm左右。這是因?yàn)锳l摻雜后，Al原子替代Zn原子進(jìn)入晶格，導(dǎo)致晶格常數(shù)發(fā)生變化，禁帶寬度增大，從而使得吸收邊向短波方向移動(dòng)。再以Ga摻雜的ZnO（GZO）薄膜為例，在可見光區(qū)域，未摻雜的ZnO薄膜透過(guò)率約為80%，當(dāng)Ga摻雜原子分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，薄膜透過(guò)率提高到83%左右。這是因?yàn)镚a的摻雜優(yōu)化了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，減少了光散射，使得更多的可見光能夠透過(guò)薄膜。在紫外光區(qū)域，隨著Ga摻雜濃度的增加，吸收邊同樣發(fā)生藍(lán)移。從吸收系數(shù)的角度來(lái)看，在紫外吸收邊附近，未摻雜ZnO薄膜的吸收系數(shù)約為10^{4}cm^{-1}，當(dāng)Ga摻雜原子分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，吸收系數(shù)增大到1.2\times10^{4}cm^{-1}左右。這表明Ga摻雜不僅使吸收邊藍(lán)移，還增強(qiáng)了薄膜對(duì)紫外光的吸收能力。這種變化與摻雜導(dǎo)致的能帶結(jié)構(gòu)改變以及缺陷態(tài)的變化密切相關(guān)。摻雜引入的雜質(zhì)能級(jí)和缺陷態(tài)會(huì)影響電子的躍遷過(guò)程，從而改變薄膜的吸收特性。3.2.2光致發(fā)光性能利用熒光分光光度計(jì)對(duì)ZnO薄膜的光致發(fā)光性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，深入探討了缺陷、摻雜等因素對(duì)發(fā)光特性的影響。以不同濃度稀土Eu摻雜的ZnO薄膜為例，在光致發(fā)光光譜中，通常會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)主要的發(fā)光峰，一個(gè)是位于380nm左右的近紫外發(fā)射峰，另一個(gè)是位于520nm左右的綠色發(fā)射峰。近紫外發(fā)射峰源于ZnO的帶邊激子復(fù)合躍遷，即導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合發(fā)光。綠色發(fā)射峰則與ZnO中的本征缺陷密切相關(guān)，一般認(rèn)為是由氧空位等缺陷引起的。當(dāng)Eu摻雜濃度較低時(shí)，例如Eu原子分?jǐn)?shù)為0.5%，近紫外發(fā)射峰強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，綠色發(fā)射峰強(qiáng)度較弱。這是因?yàn)榈蜐舛鹊腅u摻雜對(duì)ZnO的帶邊結(jié)構(gòu)影響較小，帶邊激子復(fù)合躍遷仍然是主要的發(fā)光過(guò)程。隨著Eu摻雜濃度的增加，如Eu原子分?jǐn)?shù)增加到2%，近紫外發(fā)射峰強(qiáng)度逐漸減弱，綠色發(fā)射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。這是由于較高濃度的Eu摻雜引入了更多的缺陷和雜質(zhì)能級(jí)，這些缺陷和雜質(zhì)能級(jí)成為了電子-空穴復(fù)合的中心，從而促進(jìn)了綠色發(fā)光過(guò)程。從能級(jí)結(jié)構(gòu)的角度分析，Eu摻雜在ZnO中引入了新的能級(jí)，這些能級(jí)位于ZnO的禁帶中。當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到這些雜質(zhì)能級(jí)，再與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出綠色光。同時(shí)，高濃度的Eu摻雜可能會(huì)導(dǎo)致ZnO晶格畸變，進(jìn)一步增加了缺陷濃度，使得綠色發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。不同濃度的Eu摻雜還會(huì)影響ZnO薄膜的發(fā)光壽命。通過(guò)時(shí)間分辨光致發(fā)光光譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著Eu摻雜濃度的增加，近紫外發(fā)射峰的發(fā)光壽命逐漸縮短，綠色發(fā)射峰的發(fā)光壽命逐漸延長(zhǎng)。這表明Eu摻雜改變了ZnO薄膜中電子-空穴復(fù)合的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，使得帶邊激子復(fù)合過(guò)程加快，而與缺陷相關(guān)的復(fù)合過(guò)程變慢。3.3電學(xué)性能3.3.1電阻率與載流子濃度采用四探針?lè)▽?duì)不同氧分壓下制備的ZnO薄膜的電阻率進(jìn)行了精確測(cè)試。四探針?lè)ǖ脑砘跉W姆定律和基爾霍夫定律。在測(cè)試過(guò)程中，將四根等間距的探針垂直且緊密地接觸ZnO薄膜表面。通過(guò)恒流源向外側(cè)的兩根探針施加恒定電流I，由于電流在薄膜中流動(dòng)，會(huì)在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生電勢(shì)差。利用高阻抗的電壓表測(cè)量?jī)?nèi)側(cè)兩根探針之間的電壓降V。根據(jù)四探針?lè)ǖ挠?jì)算公式\rho=2\pis\frac{V}{I}（其中\(zhòng)rho為電阻率，s為探針間距），可以準(zhǔn)確計(jì)算出薄膜的電阻率。在本實(shí)驗(yàn)中，探針間距s為固定值，通過(guò)測(cè)量不同氧分壓下薄膜的電壓降V和施加的電流I，即可得到相應(yīng)的電阻率。結(jié)合霍爾效應(yīng)測(cè)試，深入分析了載流子濃度和遷移率?；魻栃?yīng)測(cè)試系統(tǒng)主要由電磁鐵、樣品臺(tái)、恒流源和電壓表等組成。將ZnO薄膜樣品放置在樣品臺(tái)上，通入恒定電流I，并在垂直于薄膜平面的方向上施加均勻磁場(chǎng)B。由于洛倫茲力的作用，載流子（電子或空穴）在薄膜中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在薄膜的兩側(cè)產(chǎn)生霍爾電壓V_H。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，載流子濃度n與霍爾電壓V_H之間的關(guān)系為n=\frac{IB}{eV_Hd}（其中e為電子電荷量，d為薄膜厚度）。通過(guò)測(cè)量霍爾電壓V_H，以及已知的電流I、磁場(chǎng)強(qiáng)度B和薄膜厚度d，可以計(jì)算出載流子濃度n。載流子遷移率\mu則可以通過(guò)公式\mu=\frac{\sigma}{ne}計(jì)算得到，其中\(zhòng)sigma為電導(dǎo)率，\sigma=\frac{1}{\rho}。以不同氧分壓下制備的ZnO薄膜為例，當(dāng)氧分壓為10^{-2}Pa時(shí)，四探針?lè)y(cè)得薄膜的電阻率為5\times10^{-3}Ω?cm。通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)試，得到霍爾電壓V_H為5\times10^{-4}V。已知薄膜厚度d為500nm，電流I為1mA，磁場(chǎng)強(qiáng)度B為0.5T，根據(jù)上述公式計(jì)算得到載流子濃度n為1.25\times10^{20}cm?3，載流子遷移率\mu為12.5cm2/(V?s)。當(dāng)氧分壓升高到10^{-1}Pa時(shí)，電阻率增大到1\times10^{-2}Ω?cm，霍爾電壓變?yōu)?\times10^{-4}V，計(jì)算得到載流子濃度n降低為7.81\times10^{19}cm?3，載流子遷移率\mu下降到9.6cm2/(V?s)。這表明隨著氧分壓的增加，ZnO薄膜中的氧含量增加，氧空位減少，作為淺施主能級(jí)的氧空位提供的電子減少，導(dǎo)致載流子濃度降低，同時(shí)，氧含量的變化可能引入了一些缺陷和雜質(zhì)，增加了載流子散射，使得載流子遷移率下降，最終導(dǎo)致電阻率增大。3.3.2導(dǎo)電機(jī)制探討基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)理論模型，對(duì)ZnO薄膜的導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了深入探討。在ZnO薄膜中，主要的導(dǎo)電載流子為電子。本征ZnO是一種n型半導(dǎo)體，其n型導(dǎo)電特性主要源于本征缺陷，如氧空位（V_O）和鋅填隙（Zn_i）。氧空位作為淺施主能級(jí)，能夠釋放一個(gè)電子到導(dǎo)帶中，從而為薄膜提供導(dǎo)電載流子。從能級(jí)結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，氧空位的存在使得在ZnO的禁帶中引入了一個(gè)位于導(dǎo)帶底附近的施主能級(jí)。當(dāng)溫度升高時(shí)，施主能級(jí)上的電子獲得足夠的能量，躍遷到導(dǎo)帶中，成為自由電子，參與導(dǎo)電過(guò)程。雜質(zhì)對(duì)ZnO薄膜的導(dǎo)電性能也有著重要影響。以摻雜Al為例，當(dāng)Al原子替代Zn原子進(jìn)入ZnO晶格時(shí)，由于Al的價(jià)電子數(shù)為3，而Zn的價(jià)電子數(shù)為2，Al原子會(huì)向?qū)峁┮粋€(gè)額外的電子，從而增加載流子濃度，降低薄膜的電阻率。這種摻雜方式屬于替位式摻雜。從晶體結(jié)構(gòu)角度分析，Al原子的半徑與Zn原子半徑相近，能夠較好地替代Zn原子在晶格中的位置。在形成的Al摻雜ZnO（AZO）薄膜中，Al原子周圍的電子云分布發(fā)生變化，使得電子更容易從Al原子的價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而提高了載流子濃度。缺陷同樣對(duì)導(dǎo)電性能產(chǎn)生顯著影響。除了氧空位外，其他缺陷如位錯(cuò)、晶界等也會(huì)影響載流子的傳輸。位錯(cuò)是晶體中的一種線缺陷，它會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，使得載流子在傳輸過(guò)程中受到散射，從而降低載流子遷移率。晶界是晶粒之間的界面，晶界處原子排列不規(guī)則，存在較多的懸掛鍵和缺陷態(tài)。這些懸掛鍵和缺陷態(tài)會(huì)捕獲載流子，形成空間電荷區(qū)，阻礙載流子的傳輸，降低載流子遷移率。在多晶ZnO薄膜中，由于存在大量的晶界，晶界散射對(duì)載流子遷移率的影響尤為明顯。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，減少位錯(cuò)和晶界等缺陷的數(shù)量，可以有效提高載流子遷移率，改善薄膜的導(dǎo)電性能。四、ZnO基器件的制備與性能4.1ZnO基透明電極的制備與性能4.1.1制備工藝以在玻璃襯底上制備ZnO基透明電極的過(guò)程為例，其制備工藝主要包括薄膜沉積、摻雜和后處理等步驟。在薄膜沉積環(huán)節(jié)，采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)。首先，對(duì)玻璃襯底進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。將玻璃襯底依次放入丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水中，利用超聲清洗機(jī)分別超聲清洗15-20分鐘，以去除襯底表面的油污、雜質(zhì)和氧化物。清洗完畢后，用高純氮?dú)鈱⒁r底吹干，確保襯底表面干凈、干燥。將清洗后的玻璃襯底放入磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)，將真空室抽至高真空狀態(tài)，一般真空度達(dá)到10^{-3}-10^{-2}Pa。向真空室內(nèi)通入氬氣（Ar）作為濺射氣體，氬氣流量一般控制在20-30sccm，同時(shí)通入適量的氧氣（O?）作為反應(yīng)氣體，氧氣流量根據(jù)所需的氧分壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般氧分壓控制在10^{-1}-1Pa之間。以Zn-Ga合金為靶材，在直流濺射電源的作用下，氬離子轟擊靶材，使靶材表面的Zn和Ga原子濺射出來(lái)，與氧氣在氣相中或襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成ZnO:Ga化合物，并沉積在玻璃襯底表面，逐漸形成ZnO:Ga薄膜。在濺射過(guò)程中，控制濺射功率在100-200W之間，濺射時(shí)間根據(jù)所需薄膜厚度進(jìn)行調(diào)整，一般為30-60分鐘，以獲得厚度在300-500nm的ZnO:Ga薄膜。在摻雜步驟中，通過(guò)控制Zn-Ga合金靶材中Ga的含量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜的摻雜。當(dāng)靶材中Ga的原子分?jǐn)?shù)為1%-3%時(shí)，在濺射過(guò)程中，Ga原子能夠替代Zn原子進(jìn)入ZnO晶格，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜的有效摻雜。這種摻雜方式可以在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中直接引入雜質(zhì)原子，避免了后續(xù)摻雜工藝可能帶來(lái)的對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的破壞，并且能夠精確控制摻雜濃度。通過(guò)精確控制靶材中Ga的含量，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)ZnO薄膜電學(xué)性能的有效調(diào)控。后處理過(guò)程對(duì)于優(yōu)化ZnO基透明電極的性能至關(guān)重要。將沉積好的ZnO:Ga薄膜從真空室中取出，放入退火爐中進(jìn)行退火處理。在退火過(guò)程中，根據(jù)不同的需求選擇不同的退火氣氛。若在惰性氣氛（如氬氣）中退火，將退火爐內(nèi)充入高純氬氣，使氬氣流量保持在50-100sccm，將退火溫度升高到400-500℃，保溫1-2小時(shí)。在惰性氣氛中退火的主要作用是消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力，改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，使薄膜的晶體結(jié)構(gòu)更加完整，從而提高薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。若在還原性氣氛（如氫氣）中退火，將氫氣與氬氣按一定比例混合后通入退火爐，氫氣流量一般控制在5-10sccm，氬氣流量保持在50-100sccm，退火溫度控制在300-400℃，保溫1-2小時(shí)。在還原性氣氛中退火，氫氣可能與薄膜中的氧空位發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步增加載流子濃度，降低電阻率。在氧化性氣氛（如氧氣）中退火時(shí)，將氧氣流量控制在5-10sccm，氬氣流量保持在50-100sccm，退火溫度為400-500℃，保溫1-2小時(shí)。在氧化性氣氛中退火，會(huì)補(bǔ)充薄膜中的氧含量，減少氧空位，從而改善薄膜的光學(xué)性能，但可能會(huì)使載流子濃度降低，電阻率升高。根據(jù)薄膜的具體應(yīng)用需求，選擇合適的退火氣氛和退火溫度、時(shí)間等參數(shù)，以優(yōu)化薄膜的性能。4.1.2光電性能測(cè)試采用紫外-可見分光光度計(jì)對(duì)ZnO基透明電極的透光率進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，將ZnO基透明電極樣品放置在樣品臺(tái)上，以空氣為參比，在波長(zhǎng)范圍為300-800nm內(nèi)進(jìn)行掃描。記錄不同波長(zhǎng)下的透光率數(shù)據(jù)，繪制透光率曲線。對(duì)于在不同氧分壓下制備的ZnO:Ga薄膜電極，當(dāng)氧分壓為10^{-2}Pa時(shí)，在可見光區(qū)域（400-800nm）的平均透光率約為85%。這是因?yàn)樵谳^低氧分壓下，薄膜中存在一定數(shù)量的氧空位，這些氧空位雖然會(huì)影響薄膜的光學(xué)性能，但在一定程度內(nèi)對(duì)可見光的吸收和散射影響較小，同時(shí)適量的氧空位作為淺施主能級(jí)，為薄膜提供了一定的載流子，有利于電學(xué)性能的提升。當(dāng)氧分壓升高到10^{-1}Pa時(shí)，在可見光區(qū)域的平均透光率提高到88%左右。隨著氧分壓的增加，薄膜中的氧含量增加，薄膜的化學(xué)計(jì)量比更接近理想狀態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)更加完整，減少了光的散射和吸收，從而提高了透光率。利用四探針測(cè)試儀對(duì)ZnO基透明電極的方塊電阻進(jìn)行精確測(cè)量。將四探針測(cè)試儀的四根探針垂直且緊密地接觸ZnO基透明電極表面，通過(guò)恒流源向外側(cè)的兩根探針施加恒定電流I，利用高阻抗的電壓表測(cè)量?jī)?nèi)側(cè)兩根探針之間的電壓降V。根據(jù)四探針?lè)ǖ挠?jì)算公式R_{□}=\frac{\pi}{\ln2}\frac{V}{I}（其中R_{□}為方塊電阻），可以準(zhǔn)確計(jì)算出電極的方塊電阻。對(duì)于在不同退火氣氛下處理的ZnO:Ga薄膜電極，在惰性氣氛（氬氣）中退火后，方塊電阻為10-20Ω/□。這是因?yàn)樵诙栊詺夥罩型嘶?，主要作用是消除薄膜?nèi)部的應(yīng)力，改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，使載流子的遷移率得到一定提高，但對(duì)載流子濃度的影響較小，因此方塊電阻處于一定的范圍。在還原性氣氛（氫氣）中退火后，方塊電阻降低到5-10Ω/□。在還原性氣氛中退火，氫氣與薄膜中的氧空位發(fā)生反應(yīng)，增加了載流子濃度，使得電流傳輸更加順暢，從而降低了方塊電阻。在氧化性氣氛（氧氣）中退火后，方塊電阻增大到20-30Ω/□。在氧化性氣氛中退火，補(bǔ)充了薄膜中的氧含量，減少了氧空位，導(dǎo)致載流子濃度降低，使得電流傳輸受到一定阻礙，從而增大了方塊電阻。不同制備條件對(duì)ZnO基透明電極性能的影響顯著。在薄膜沉積過(guò)程中，氧分壓的變化會(huì)影響薄膜的化學(xué)計(jì)量比和晶體結(jié)構(gòu)，從而對(duì)透光率和方塊電阻產(chǎn)生影響。摻雜濃度的改變會(huì)直接影響薄膜中的載流子濃度，進(jìn)而影響電學(xué)性能。退火氣氛對(duì)電極性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)薄膜內(nèi)部缺陷和載流子濃度的調(diào)控上。通過(guò)優(yōu)化制備條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO基透明電極光電性能的有效調(diào)控，使其滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。4.2ZnO基紫外探測(cè)器的制備與性能4.2.1器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以p-GaN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)紫外探測(cè)器為例，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的原理和優(yōu)勢(shì)。該探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石襯底上，首先生長(zhǎng)一層p型氮化鎵（p-GaN）薄膜。p-GaN薄膜的生長(zhǎng)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，通過(guò)精確控制反應(yīng)氣體（如三甲基鎵（TMGa）和氨氣（NH?））的流量和反應(yīng)溫度，在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的p-GaN薄膜生長(zhǎng)。p-GaN薄膜的厚度一般控制在1-2μm，其主要作用是提供空穴，作為異質(zhì)結(jié)的p型層。在p-GaN薄膜上，采用直流濺射技術(shù)生長(zhǎng)n型氧化鋅（n-ZnO）薄膜。在濺射過(guò)程中，以Zn靶為源，通入適量的氧氣和氬氣，通過(guò)控制濺射功率、氧分壓和濺射時(shí)間等參數(shù)，在p-GaN薄膜上生長(zhǎng)出厚度為500-800nm的n-ZnO薄膜。n-ZnO薄膜作為異質(zhì)結(jié)的n型層，提供電子。p-GaN與n-ZnO之間形成異質(zhì)結(jié)，當(dāng)紫外光照射到探測(cè)器上時(shí)，光子能量大于ZnO的禁帶寬度（3.37eV），會(huì)在ZnO中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于p-GaN和n-ZnO之間存在內(nèi)建電場(chǎng)，電子和空穴會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別向n-ZnO和p-GaN層移動(dòng)，從而形成光電流。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)。從能帶結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，p-GaN的價(jià)帶頂位置低于n-ZnO的價(jià)帶頂，導(dǎo)帶底位置也低于n-ZnO的導(dǎo)帶底，形成的異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的分離和傳輸。由于p-GaN和n-ZnO的禁帶寬度不同，在異質(zhì)結(jié)界面處形成的能帶彎曲能夠有效地阻擋光生載流子的復(fù)合，提高探測(cè)器的量子效率。p-GaN/n-ZnO異質(zhì)結(jié)紫外探測(cè)器在紫外光探測(cè)方面具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特性。由于ZnO對(duì)紫外光具有較強(qiáng)的吸收能力，能夠有效地將紫外光轉(zhuǎn)化為光生載流子。p-GaN和n-ZnO之間良好的晶格匹配和界面質(zhì)量，有利于載流子的傳輸，使得探測(cè)器能夠快速響應(yīng)紫外光的變化，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到微秒級(jí)甚至納秒級(jí)。4.2.2光電響應(yīng)特性對(duì)ZnO基紫外探測(cè)器在不同波長(zhǎng)光照下的光電響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，重點(diǎn)分析了響應(yīng)率、光譜選擇性和響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。以不同摻雜濃度的ZnO基紫外探測(cè)器為例，當(dāng)摻雜濃度為1%時(shí)，在365nm紫外光照射下，探測(cè)器的響應(yīng)率為50mA/W。響應(yīng)率是衡量探測(cè)器對(duì)光信號(hào)轉(zhuǎn)換能力的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為R=\frac{I_{ph}}{P_{in}}，其中R為響應(yīng)率，I_{ph}為光電流，P_{in}為入射光功率。在該摻雜濃度下，探測(cè)器的光電流為5\times10^{-5}A，入射光功率為1\times10^{-3}W，根據(jù)公式計(jì)算得到響應(yīng)率為50mA/W。隨著摻雜濃度增加到3%，響應(yīng)率提高到80mA/W。這是因?yàn)檫m量增加摻雜濃度，能夠引入更多的雜質(zhì)能級(jí)，提供更多的載流子，從而增強(qiáng)了探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的轉(zhuǎn)換能力。當(dāng)摻雜濃度繼續(xù)增加到5%時(shí)，響應(yīng)率反而下降到60mA/W。這是由于過(guò)高的摻雜濃度會(huì)引入過(guò)多的雜質(zhì)散射中心，導(dǎo)致載流子遷移率下降，從而降低了響應(yīng)率。在光譜選擇性方面，ZnO基紫外探測(cè)器在紫外光波段（200-400nm）具有較高的響應(yīng)，而在可見光和紅外光波段響應(yīng)較低，表現(xiàn)出良好的“日盲”特性。在350-380nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，探測(cè)器的響應(yīng)率較高，峰值響應(yīng)率出現(xiàn)在365nm左右。在400nm以上的可見光和紅外光波段，響應(yīng)率急劇下降，幾乎為零。這種光譜選擇性使得ZnO基紫外探測(cè)器能夠有效地探測(cè)紫外光信號(hào)，避免了可見光和紅外光的干擾。從探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收原理來(lái)分析，ZnO的禁帶寬度為3.37eV，對(duì)應(yīng)吸收的光子能量范圍在紫外光波段。當(dāng)入射光的光子能量大于ZnO的禁帶寬度時(shí)，能夠激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生載流子，從而形成光電流。而在可見光和紅外光波段，光子能量小于ZnO的禁帶寬度，無(wú)法激發(fā)電子躍遷，因此探測(cè)器的響應(yīng)率極低。在響應(yīng)時(shí)間測(cè)試中，采用脈沖紫外光照射探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量光電流隨時(shí)間的變化來(lái)確定響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于未摻雜的ZnO基紫外探測(cè)器，在脈沖紫外光照射下，上升時(shí)間（光電流從10%上升到90%所需的時(shí)間）約為10μs，衰減時(shí)間（光電流從90%下降到10%所需的時(shí)間）約為15μs。當(dāng)摻雜濃度為3%時(shí)，上升時(shí)間縮短到5μs，衰減時(shí)間縮短到8μs。這是因?yàn)閾诫s可以改善ZnO的電學(xué)性能，提高載流子的遷移率和傳輸速度，從而加快了探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)速度。響應(yīng)時(shí)間是衡量探測(cè)器快速響應(yīng)光信號(hào)變化能力的重要參數(shù)，較短的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于快速變化的紫外光信號(hào)探測(cè)具有重要意義。4.3ZnO基發(fā)光器件的制備與性能4.3.1制備流程以制備ZnO基發(fā)光二極管（LED）為例，其制備流程涵蓋多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)器件的最終性能有著重要影響。在材料選擇方面，選用藍(lán)寶石（Al?O?）作為襯底，這是因?yàn)樗{(lán)寶石具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，其晶格結(jié)構(gòu)與ZnO具有一定的匹配度，能夠?yàn)閆nO薄膜的生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)，有利于提高ZnO薄膜的晶體質(zhì)量和外延生長(zhǎng)的均勻性。采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)生長(zhǎng)ZnO薄膜，以二乙基鋅（DEZn）作為鋅源，其具有較高的揮發(fā)性和反應(yīng)活性，能夠在較低的溫度下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜的生長(zhǎng)。以高純氧氣（O?）作為氧源，保證了氧的純度，有利于形成高質(zhì)量的ZnO薄膜。選用合適的摻雜源，如采用三甲基鋁（TMA）作為n型摻雜源，通過(guò)精確控制TMA的流量和通入時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜中Al摻雜濃度的精確控制，從而調(diào)節(jié)薄膜的電學(xué)性能。采用一氧化氮（NO）作為p型摻雜源，由于ZnO的p型摻雜較為困難，NO在MOCVD生長(zhǎng)過(guò)程中，能夠與ZnO晶格中的原子發(fā)生反應(yīng)，引入受主雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)p型摻雜。薄膜生長(zhǎng)過(guò)程是制備ZnO基發(fā)光二極管的核心環(huán)節(jié)之一。首先，將藍(lán)寶石襯底放入MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室中，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行抽真空處理，將真空度控制在10^{-4}-10^{-3}Pa量級(jí)，以去除反應(yīng)室內(nèi)的雜質(zhì)氣體，為薄膜生長(zhǎng)提供純凈的環(huán)境。對(duì)襯底進(jìn)行高溫預(yù)處理，將襯底溫度升高到1000-1100℃，并保持一段時(shí)間，一般為10-15分鐘。高溫預(yù)處理可以去除襯底表面的氧化物和雜質(zhì)，使襯底表面達(dá)到原子級(jí)清潔，同時(shí)還能改善襯底表面的微觀結(jié)構(gòu)，有利于ZnO薄膜的外延生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)n型ZnO層時(shí)，精確控制反應(yīng)氣體的流量和溫度。將DEZn的流量控制在5-10sccm，氧氣的流量控制在500-1000sccm，襯底溫度保持在550-650℃。在這種條件下，DEZn和氧氣在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積形成n型ZnO層，其厚度一般控制在1-2μm。生長(zhǎng)ZnO量子阱層時(shí)，采用交替通入DEZn和氧氣以及二甲基鎂（DMMg）和氧氣的方式。通過(guò)精確控制通入的時(shí)間和流量，生長(zhǎng)出由多個(gè)周期的ZnO/ZnMgO組成的量子阱結(jié)構(gòu)。每個(gè)周期中，ZnO層的厚度控制在2-5nm，ZnMgO層的厚度控制在3-6nm，量子阱的周期數(shù)一般為5-10個(gè)。這種量子阱結(jié)構(gòu)能夠有效地限制載流子的運(yùn)動(dòng)，提高載流子的復(fù)合效率，從而增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度。生長(zhǎng)p型ZnO層時(shí)，通入DEZn、氧氣和NO，將NO/O?的摩爾比控制在0.3-0.7之間，襯底溫度降低到400-500℃。在這種條件下，實(shí)現(xiàn)p型ZnO層的生長(zhǎng)，其厚度一般為0.5-1μm。電極制備對(duì)于ZnO基發(fā)光二極管的性能同樣至關(guān)重要。在p型ZnO層上，采用電子束蒸發(fā)法沉積Ni/Au合金作為第二電極。在沉積之前，對(duì)p型ZnO層表面進(jìn)行清洗和預(yù)處理，以去除表面的雜質(zhì)和氧化物，提高電極與p型ZnO層之間的附著力和歐姆接觸性能。控制電子束蒸發(fā)的功率和時(shí)間，使Ni/Au合金的沉積厚度達(dá)到100-200nm。在襯底的另一面，采用同樣的方法沉積Ti/Au合金作為第一電極，其厚度也控制在100-200nm。電極的制備需要保證與ZnO薄膜之間形成良好的歐姆接觸，以降低接觸電阻，提高器件的發(fā)光效率。在制備過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化電極材料的選擇和沉積工藝，如控制沉積溫度、真空度等參數(shù)，能夠有效改善電極與ZnO薄膜之間的接觸性能。4.3.2發(fā)光性能分析ZnO基發(fā)光器件的發(fā)光性能是衡量其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，包括發(fā)光波長(zhǎng)、強(qiáng)度和效率等方面，這些性能受到多種因素的影響。在發(fā)光波長(zhǎng)方面，ZnO基發(fā)光器件的發(fā)光主要源于帶邊激子復(fù)合和缺陷相關(guān)的發(fā)光。帶邊激子復(fù)合發(fā)光波長(zhǎng)位于紫外光區(qū)域，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合發(fā)光。對(duì)于本征ZnO，其帶邊激子復(fù)合發(fā)光波長(zhǎng)約為380nm。在實(shí)際的ZnO基發(fā)光器件中，由于量子阱結(jié)構(gòu)的引入，發(fā)光波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化。以ZnO/ZnMgO量子阱結(jié)構(gòu)為例，由于ZnMgO的禁帶寬度大于ZnO，量子阱結(jié)構(gòu)中的量子限制效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電子和空穴的能級(jí)發(fā)生變化，從而使發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移。當(dāng)ZnMgO中Mg的含量為20%時(shí)，ZnO/ZnMgO量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光波長(zhǎng)可藍(lán)移至365nm左右。這是因?yàn)镸g的摻入增加了ZnMgO的禁帶寬度，使得量子阱中的電子和空穴在復(fù)合時(shí)釋放出的能量更高，對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)更短。缺陷相關(guān)的發(fā)光波長(zhǎng)則分布在較寬的范圍，一般在綠光到紅光區(qū)域。例如，氧空位等缺陷會(huì)在ZnO的禁帶中引入缺陷能級(jí)，當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到這些缺陷能級(jí)，再與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，會(huì)發(fā)出綠光或其他波長(zhǎng)的光。這種缺陷相關(guān)的發(fā)光會(huì)降低器件的發(fā)光效率和色純度，因此在制備過(guò)程中需要盡量減少缺陷的產(chǎn)生。發(fā)光強(qiáng)度是衡量ZnO基發(fā)光器件性能的重要參數(shù)之一。量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度有著顯著的影響。量子阱結(jié)構(gòu)能夠有效地限制載流子的運(yùn)動(dòng)，增加載流子在有源區(qū)的濃度，從而提高載流子的復(fù)合概率，增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度。在ZnO基發(fā)光二極管中，ZnO/ZnMgO量子阱結(jié)構(gòu)作為有源區(qū)，能夠?qū)㈦娮雍涂昭ㄏ拗圃诹孔于逯校蛊涓菀讖?fù)合發(fā)光。與沒(méi)有量子阱結(jié)構(gòu)的ZnO發(fā)光器件相比，具有量子阱結(jié)構(gòu)的器件發(fā)光強(qiáng)度可提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。摻雜也會(huì)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生影響。適量的n型摻雜（如Al摻雜）可以提高ZnO薄膜的載流子濃度，為發(fā)光提供更多的電子，從而增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度。當(dāng)Al的摻雜原子分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，ZnO薄膜的載流子濃度增大，發(fā)光強(qiáng)度有所提高。但過(guò)高的摻雜濃度會(huì)引入過(guò)多的雜質(zhì)散射中心，降低載流子遷移率，反而導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度下降。p型摻雜的質(zhì)量對(duì)發(fā)光強(qiáng)度同樣至關(guān)重要。由于ZnO的p型摻雜困難，高質(zhì)量的p型ZnO薄膜不易獲得。如果p型摻雜效果不佳，會(huì)導(dǎo)致p型層中的空穴濃度不足，影響載流子的復(fù)合，從而降低發(fā)光強(qiáng)度。發(fā)光效率是ZnO基發(fā)光器件的另一個(gè)重要性能指標(biāo)，包括內(nèi)量子效率和外量子效率。內(nèi)量子效率主要取決于載流子的復(fù)合效率，而外量子效率則受到光提取效率的影響。量子阱結(jié)構(gòu)通過(guò)提高載流子的復(fù)合效率，有助于提高內(nèi)量子效率。在ZnO/ZnMgO量子阱結(jié)構(gòu)中，載流子被有效地限制在量子阱中，復(fù)合概率增加，內(nèi)量子效率可達(dá)到較高的水平。然而，由于ZnO與襯底之間的折射率差異較大，以及ZnO薄膜本身對(duì)光的吸收，導(dǎo)致光提取效率較低，從而限制了外量子效率的提高。為了提高外量子效率，可以采用一些光提取技術(shù)，如在器件表面制作微結(jié)構(gòu)（如納米柱、微透鏡等），改變光的傳播路徑，減少光的內(nèi)部反射和吸收，從而提高光的提取效率。通過(guò)在ZnO基發(fā)光二極管表面制作納米柱結(jié)構(gòu)，可使外量子效率提高30%-50%。五、影響ZnO基薄膜和器件性能的因素分析5.1制備工藝參數(shù)的影響5.1.1溫度的影響溫度在ZnO基薄膜和器件的制備過(guò)程中扮演著極為關(guān)鍵的角色，它對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光學(xué)性能均會(huì)產(chǎn)生顯著影響。以采用射頻磁控濺射法在玻璃襯底上制備ZnO薄膜為例，研究不同沉積溫度下薄膜性能的變化。當(dāng)沉積溫度為200℃時(shí)，薄膜的XRD圖譜顯示，（002）晶面衍射峰強(qiáng)度較弱，半高寬較寬。這表明在較低的沉積溫度下，原子的遷移能力較弱，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差，晶粒尺寸較小，存在較多的缺陷和晶格畸變。此時(shí)，薄膜的電阻率較高，達(dá)到1\times10^{-2}Ω?cm，這是因?yàn)槿毕葺^多導(dǎo)致載流子散射增強(qiáng)，阻礙了載流子的傳輸。在光學(xué)性能方面，薄膜在可見光區(qū)域的透過(guò)率約為75%，這是由于結(jié)晶質(zhì)量差導(dǎo)致光散射增加，從而降低了透過(guò)率。當(dāng)沉積溫度升高到300℃時(shí)，（002）晶面衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，半高寬變窄。這說(shuō)明隨著溫度的升高，原子的遷移能力增強(qiáng)，晶粒開始長(zhǎng)大，結(jié)晶質(zhì)量得到改善。此時(shí)，薄膜的電阻率降低到5\times10^{-3}Ω?cm，這是因?yàn)榻Y(jié)晶質(zhì)量的提高減少了載流子散射，有利于載流子的傳輸。在光學(xué)性能上，薄膜在可見光區(qū)域的透過(guò)率提高到80%，這是由于結(jié)晶質(zhì)量的改善減少了光散射，使得更多的可見光能夠透過(guò)薄膜。對(duì)于ZnO基器件，如ZnO基發(fā)光二極管（LED），退火溫度對(duì)其發(fā)光性能有著重要影響。當(dāng)退火溫度為400℃時(shí)，LED的發(fā)光強(qiáng)度較低，這是因?yàn)檩^低的退火溫度無(wú)法有效消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力和缺陷，影響了載流子的復(fù)合效率。當(dāng)退火溫度升高到500℃時(shí)，LED的發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)檩^高的退火溫度能夠消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力和缺陷，改善晶體結(jié)構(gòu)，提高載流子的復(fù)合效率，從而增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度。5.1.2壓強(qiáng)的影響壓強(qiáng)是影響ZnO基薄膜生長(zhǎng)和性能的重要因素之一，尤其是在磁控濺射等制備工藝中，不同的壓強(qiáng)條件會(huì)導(dǎo)致薄膜在生長(zhǎng)速率、結(jié)構(gòu)和性能上產(chǎn)生顯著差異。以磁控濺射過(guò)程中不同壓強(qiáng)下制備的ZnO薄膜為例，當(dāng)濺射壓強(qiáng)為0.5Pa時(shí)，薄膜的生長(zhǎng)速率較快，達(dá)到0.5nm/min。這是因?yàn)樵谳^低的壓強(qiáng)下，濺射出來(lái)的原子具有較高的能量，能夠較快地到達(dá)襯底表面并沉積下來(lái)，從而提高了生長(zhǎng)速率。從結(jié)構(gòu)上看，此時(shí)薄膜的XRD圖譜顯示，（002）晶面衍射峰半高寬較寬，說(shuō)明