搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

氧分压对Mg掺杂ZnO薄膜结晶质量和光学特性的影响

鲍善永 董武军 徐兴 栾田宝 李杰 张庆瑜

引用本文:
Citation:

氧分压对Mg掺杂ZnO薄膜结晶质量和光学特性的影响

鲍善永, 董武军, 徐兴, 栾田宝, 李杰, 张庆瑜

Influence of oxygen partial pressure on the crystal quality and optical properties of Mg-doped ZnO films

Bao Shan-Yong, Dong Wu-Jun, Xu Xing, Luan Tian-Bao, Li Jie, Zhang Qing-Yu
PDF
导出引用
  • 利用脉冲激光沉积技术,通过改变沉积过程中的氧气压力,在蓝宝石(0001)基片上制备了一系列ZnMgO合金.通过X射线衍射、反射和透射光谱以及室温和变温荧光光谱,对薄膜的结构和光学性能进行了系统地表征,分析了工作气压对ZnMgO合金薄膜的结晶质量及光学特性的影响.研究结果表明:随着沉积环境中氧气压力的增大,ZnMgO薄膜的结晶质量下降,富氧环境下,与蓝宝石晶格平行的ZnO晶粒的出现是导致薄膜结晶质量下降的主要原因;相对于本征ZnO,不同氧气环境下沉积的ZnMgO薄膜的紫外荧光峰均出现了不同程度的蓝移.随着工
    Zn1-xMgxO films have been deposited on Al2O3(0001) substrates at different oxygen pressures by using pulsed laser deposition method. The influence of oxygen pressure on the crystal quality and optical properties of the films is studied with X-ray diffraction (XRD), transmittance spectra, and photoluminescence (PL). It is found that the crystal quality of the films lowers with increasing of oxygen pressure from 10-4Pa to 10 Pa. At the pressure of 10-4 Pa, the epitaxial relationship between the film and sapphire substrate is determined to be ZnMgO (0001)// Al2O3(0001),ZnMgO 1010]//Al2O3 1120]. In the oxygen rich environment, however, another epitaxial relationship, ZnMgO (0001)//Al2O3(0001) and ZnMgO 1010]//Al2O3 1010], is also present in the films, which is suggested to be responsible for the decline of the crystal quality. Compared with pure ZnO films, the UV peak of Zn1-xMgxO alloys shows red-shift from 3.374 to 3.332 eV with increasing oxygen working pressure increasing from 10-4 Pa up to 10 Pa. The difference in red-shifts can be attributed to the decrease of Mg content in the films resulting from the variation of oxygen pressure. A broad UV PL spectrum was observed at 10 K in the films deposited under different pressures and can be decomposed into two recombination processes of excitons, corresponding to the bound and the localized exciton luminescence, respectively. The binding energy of bound excitons in the ZnMgO films is larger than that in pure ZnO and has an increasing trend with increasing oxygen pressure.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:10774018)和国家重点基础研究发展计划(批准号:2007CB616902)资助的课题.
    [1]

    Ohtomo A, Kawasaki M, Koida T, Koimama H, Masubuchi K, Sakurai Y, Yoshida Y, Yasuda T, Segawa Y 1998 Appl. Phys. Lett. 72 2466

    [2]

    Sharma A K, Narayan J, Muth J F, Teng C W, Lin C, Kvit A, Kolbas R M, Holland O W 1999 Appl. Phys. Lett. 75 3327

    [3]

    Sun C W, Liu Z W, Zhang Q Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 430 (in Chinese) [孙成伟、 刘志文、 张庆瑜 2006 物理学报 55 430]

    [4]

    Gao L, Zhang J M2010 Acta Phys. Sin. 59 1263 (in Chinese) [高 立、 张建民 2010 物理学报 59 1263]

    [5]

    Zhang X T, Xiao Z Y, Zhang W L, Gao H, Wang Y X, Liu Y C, Zhang J Y, Xu W 2003 Acta Phys. Sin. 52 740(in Chinese) [张喜田、 肖芝燕、 张伟力、 高 红、 王玉玺、 刘益春、 张吉英、 许 武 2003物理学报 52 740]

    [6]

    Yuan Y H, H X, Gao H 2006 Acta Phys. Sin. 55 446(in Chinese) [袁艳红、 侯 洵、高 恒 2006物理学报 55 446]

    [7]

    Liu H X, Zhou S M, Li S Z, Hang Y, Xu J, Gu S L, Zhang R 2006 Acta Phys. Sin. 55 1398 (in Chinese) [刘红霞、 周圣明、 李抒智、 杭 寅、 徐 军、 顾书林、 张 荣 2006 物理学报 55 1398]

    [8]

    Service R F 1997 Science 276 895

    [9]

    Tian Z R, Voigt T A, Liu J 2003 Nature Materials 2 821

    [10]

    Jin X L, Lou S Y, Kong D G, Li Y C, Du Z L2006 Acta Phys. Sin. 55 4809 (in Chinese) [靳锡联、 娄世云、 孔德国、 李蕴才、 杜祖亮 2006 物理学报 55 4809]

    [11]

    Tampo H, Shibata H, Maejima K, Yamada A, Matsubara K, Fons P, Niki S, Tainaka T, Chiba Y, Kanie H 2007 Appl. Phys. Lett. 91 261907

    [12]

    Schmidt R, Rheinlander B, Schubert M, Spemann D, Butz T, Lenzner J, Kaidashev E M, Lorenz M, Rahm A, Semmelhack H C, Grundmann M 2003 Appl. Phys. Lett. 82 2260

    [13]

    Ip K, Heo Y W, Norton D P, Pearton S J, LaRoche J R, Ren F 2004 Appl. Phys. Lett. 85 1169

    [14]

    Muller A, Stolzel M, Dietrich C, Benndorf G, Lorenz M, GrundmannM 2010 J. Appl. Phys. 107 013704

    [15]

    Yoshikawa A, Wang X Q, Iwaki H, Murakami M, Du X L, Ishitani Y2003 Jpn. J. Appl. Phys. 42 L99

    [16]

    Liu Z W, Gu J F, Fu W J, Sun C W, Li Y, Zhang Q Y2006 Acta Phys. Sin. 55 5479 (in Chinese) [刘志文、 谷建峰、 付伟佳、 孙成伟、 李 勇、 张庆瑜 2006 物理学报 55 5479]

    [17]

    Sun C W, Liu Z W, Qin F W, Zhang Q Y, Liu K, Wu S F 2006 Acta Phys. Sin. 55 1390(in Chinese) [孙成伟、 刘志文、 秦福文、 张庆瑜、 刘 琨、 吴世法 2006 物理学报 55 1390]

    [18]

    McCluskey M D, Jokela S J 2009 J. Appl. Phys. 106 071101

    [19]

    Janoti A, Van de Walle C G 2007 Phys. Rev. B 76 165202

    [20]

    Kubota M, Omuma T, Tsukazaki A, Ohtomo A, Kawasaki M, Sota T, Chichibu S F 2007 Appl. Phys. Lett. 90 141903

    [21]

    Yoo J, Hong Y J, Yi G, Chon B, Joo T 2008 Semicond. Sci. Technol. 23 095015

  • [1]

    Ohtomo A, Kawasaki M, Koida T, Koimama H, Masubuchi K, Sakurai Y, Yoshida Y, Yasuda T, Segawa Y 1998 Appl. Phys. Lett. 72 2466

    [2]

    Sharma A K, Narayan J, Muth J F, Teng C W, Lin C, Kvit A, Kolbas R M, Holland O W 1999 Appl. Phys. Lett. 75 3327

    [3]

    Sun C W, Liu Z W, Zhang Q Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 430 (in Chinese) [孙成伟、 刘志文、 张庆瑜 2006 物理学报 55 430]

    [4]

    Gao L, Zhang J M2010 Acta Phys. Sin. 59 1263 (in Chinese) [高 立、 张建民 2010 物理学报 59 1263]

    [5]

    Zhang X T, Xiao Z Y, Zhang W L, Gao H, Wang Y X, Liu Y C, Zhang J Y, Xu W 2003 Acta Phys. Sin. 52 740(in Chinese) [张喜田、 肖芝燕、 张伟力、 高 红、 王玉玺、 刘益春、 张吉英、 许 武 2003物理学报 52 740]

    [6]

    Yuan Y H, H X, Gao H 2006 Acta Phys. Sin. 55 446(in Chinese) [袁艳红、 侯 洵、高 恒 2006物理学报 55 446]

    [7]

    Liu H X, Zhou S M, Li S Z, Hang Y, Xu J, Gu S L, Zhang R 2006 Acta Phys. Sin. 55 1398 (in Chinese) [刘红霞、 周圣明、 李抒智、 杭 寅、 徐 军、 顾书林、 张 荣 2006 物理学报 55 1398]

    [8]

    Service R F 1997 Science 276 895

    [9]

    Tian Z R, Voigt T A, Liu J 2003 Nature Materials 2 821

    [10]

    Jin X L, Lou S Y, Kong D G, Li Y C, Du Z L2006 Acta Phys. Sin. 55 4809 (in Chinese) [靳锡联、 娄世云、 孔德国、 李蕴才、 杜祖亮 2006 物理学报 55 4809]

    [11]

    Tampo H, Shibata H, Maejima K, Yamada A, Matsubara K, Fons P, Niki S, Tainaka T, Chiba Y, Kanie H 2007 Appl. Phys. Lett. 91 261907

    [12]

    Schmidt R, Rheinlander B, Schubert M, Spemann D, Butz T, Lenzner J, Kaidashev E M, Lorenz M, Rahm A, Semmelhack H C, Grundmann M 2003 Appl. Phys. Lett. 82 2260

    [13]

    Ip K, Heo Y W, Norton D P, Pearton S J, LaRoche J R, Ren F 2004 Appl. Phys. Lett. 85 1169

    [14]

    Muller A, Stolzel M, Dietrich C, Benndorf G, Lorenz M, GrundmannM 2010 J. Appl. Phys. 107 013704

    [15]

    Yoshikawa A, Wang X Q, Iwaki H, Murakami M, Du X L, Ishitani Y2003 Jpn. J. Appl. Phys. 42 L99

    [16]

    Liu Z W, Gu J F, Fu W J, Sun C W, Li Y, Zhang Q Y2006 Acta Phys. Sin. 55 5479 (in Chinese) [刘志文、 谷建峰、 付伟佳、 孙成伟、 李 勇、 张庆瑜 2006 物理学报 55 5479]

    [17]

    Sun C W, Liu Z W, Qin F W, Zhang Q Y, Liu K, Wu S F 2006 Acta Phys. Sin. 55 1390(in Chinese) [孙成伟、 刘志文、 秦福文、 张庆瑜、 刘 琨、 吴世法 2006 物理学报 55 1390]

    [18]

    McCluskey M D, Jokela S J 2009 J. Appl. Phys. 106 071101

    [19]

    Janoti A, Van de Walle C G 2007 Phys. Rev. B 76 165202

    [20]

    Kubota M, Omuma T, Tsukazaki A, Ohtomo A, Kawasaki M, Sota T, Chichibu S F 2007 Appl. Phys. Lett. 90 141903

    [21]

    Yoo J, Hong Y J, Yi G, Chon B, Joo T 2008 Semicond. Sci. Technol. 23 095015

  • [1] 张丽丽, 夏桐, 刘桂安, 雷博程, 赵旭才, 王少霞, 黄以能. 第一性原理方法研究N-Pr共掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 物理学报, 2019, 68(1): 017401. doi: 10.7498/aps.68.20181531
    [2] 朱慧群, 李毅, 叶伟杰, 李春波. 花状掺杂W-VO2/ZnO热致变色纳米复合薄膜研究. 物理学报, 2014, 63(23): 238101. doi: 10.7498/aps.63.238101
    [3] 李泓霖, 张仲, 吕英波, 黄金昭, 张英, 刘如喜. 第一性原理研究稀土掺杂ZnO结构的光电性质. 物理学报, 2013, 62(4): 047101. doi: 10.7498/aps.62.047101
    [4] 杜允, 鲁年鹏, 杨虎, 叶满萍, 李超荣. In掺杂氮化亚铜薄膜的电学、光学和结构特性研究. 物理学报, 2013, 62(11): 118104. doi: 10.7498/aps.62.118104
    [5] 徐韵, 李云鹏, 金璐, 马向阳, 杨德仁. 脉冲激光沉积法制备的ZnO薄膜的低阈值电抽运紫外随机激射. 物理学报, 2013, 62(8): 084207. doi: 10.7498/aps.62.084207
    [6] 刘玮洁, 孙正昊, 黄宇欣, 冷静, 崔海宁. 不同价态稀土元素Yb掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 物理学报, 2013, 62(12): 127101. doi: 10.7498/aps.62.127101
    [7] 吴萍, 张杰, 李喜峰, 陈凌翔, 汪雷, 吕建国. 室温生长ZnO薄膜晶体管的紫外响应特性. 物理学报, 2013, 62(1): 018101. doi: 10.7498/aps.62.018101
    [8] 张富春, 张威虎, 董军堂, 张志勇. Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性. 物理学报, 2011, 60(12): 127503. doi: 10.7498/aps.60.127503
    [9] 朱慧群, 李毅, 周晟, 黄毅泽, 佟国香, 孙若曦, 张宇明, 郑秋心, 李榴, 沈雨剪, 方宝英. 纳米VO2/ZnO复合薄膜的热致变色特性研究. 物理学报, 2011, 60(9): 098104. doi: 10.7498/aps.60.098104
    [10] 严国清, 谢凯旋, 莫仲荣, 路忠林, 邹文琴, 王申, 岳凤娟, 吴镝, 张凤鸣, 都有为. 共沉淀法制备Co掺杂ZnO的室温铁磁性的研究. 物理学报, 2009, 58(2): 1237-1241. doi: 10.7498/aps.58.1237
    [11] 程兴旺, 李祥, 高院玲, 于宙, 龙雪, 刘颖. Co掺杂的ZnO室温铁磁半导体材料制备与磁性和光学特性研究. 物理学报, 2009, 58(3): 2018-2022. doi: 10.7498/aps.58.2018
    [12] 于 宙, 李 祥, 龙 雪, 程兴旺, 王晶云, 刘 颖, 曹茂盛, 王富耻. Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性研究. 物理学报, 2008, 57(7): 4539-4544. doi: 10.7498/aps.57.4539
    [13] 羊新胜, 赵 勇. 铁磁性锰氧化物掺杂的ZnO压敏电阻性能研究. 物理学报, 2008, 57(5): 3188-3192. doi: 10.7498/aps.57.3188
    [14] 毕艳军, 郭志友, 孙慧卿, 林 竹, 董玉成. Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(12): 7800-7805. doi: 10.7498/aps.57.7800
    [15] 段满益, 徐 明, 周海平, 陈青云, 胡志刚, 董成军. 碳掺杂ZnO的电子结构和光学性质. 物理学报, 2008, 57(10): 6520-6525. doi: 10.7498/aps.57.6520
    [16] 段满益, 徐 明, 周海平, 沈益斌, 陈青云, 丁迎春, 祝文军. 过渡金属与氮共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5359-5365. doi: 10.7498/aps.56.5359
    [17] 刘学超, 施尔畏, 宋力昕, 张华伟, 陈之战. 固相反应法制备Co掺杂ZnO的磁性和光学性能研究. 物理学报, 2006, 55(5): 2557-2561. doi: 10.7498/aps.55.2557
    [18] 李 勇, 孙成伟, 刘志文, 张庆瑜. 磁控溅射ZnO薄膜生长的等离子体发射光谱研究. 物理学报, 2006, 55(8): 4232-4237. doi: 10.7498/aps.55.4232
    [19] 杨 春, 余 毅, 李言荣, 刘永华. 温度对ZnO/Al2O3(0001)界面的吸附、扩散及生长初期模式的影响. 物理学报, 2005, 54(12): 5907-5913. doi: 10.7498/aps.54.5907
    [20] 袁洪涛, 张 跃, 谷景华. 原位生长高度定向ZnO晶须. 物理学报, 2004, 53(2): 646-650. doi: 10.7498/aps.53.646
计量
  • 文章访问数:  8648
  • PDF下载量:  835
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2010-05-26
  • 修回日期:  2010-06-21
  • 刊出日期:  2011-03-15

/

返回文章
返回