掺杂Ag的ZnO薄膜的紫外辐射增强

大 连 理 工 大 学 本 科 外 文 翻 译

掺杂Ag的ZnO薄膜的紫外发光增强

Enhancement of ultraviolet emissions from ZnO films by Ag doping

学 院（系）： 物理与光电工程学院 专 业： 光信息科学与技术 学 生 姓 名： 于雯雯 学 号： 200523027 指 导 教 师： 张庆瑜 完 成 日 期：

大连理工大学

Dalian University of Technology

掺杂Ag的ZnO薄膜的紫外发光增强

掺杂Ag的ZnO薄膜的紫外发光增强

Li Duan, Bixia Lin, Weiying Zhang, Sheng Zhong, and Zhuxi Fu

中国科技大学物理系

摘要：用直流反应溅射在Si基片上沉积掺杂Ag的ZnO膜。由于在掺杂的Ag中，Ag2O以纳米形式存在，观察到了样品的紫外辐射显著增强。其紫外辐射包括两个峰。348nm的峰是Ag2O纳米颗粒的。382nm的峰是ZnO的。最强的ZnO-Ag2O膜的紫外散射比纯ZnO膜的紫外散射强10倍。紫外辐射增强是由在Ag2O和ZnO之间的接触面形成的激子产生的。 关键词：

ZnO是一种在室温下具有3.37eV的宽能带和60meV的高激子束缚能的半导体材料。一般的，一个单晶体ZnO的光致荧光（PL）光谱有两条。在紫外区域380nm处，对应于（NBE）辐射的一条是由于激子的堆积，在可见区域的另一条是由于结构缺陷和杂质引起的。在1997年—1998年，ZnO在室温下的受激紫外辐射一经报道出来，ZnO作为一种紫外激光材料立即吸引了人们的注意。此后，越来越多的研究人员致力于ZnO紫外短波发射的应用研究。许多评论详细阐述了ZnO在短波的光电子应用近年来的发展。Tsukazaki等人在2004年12月报道了在室温下，同种结构的ZnO p-i-n 结的紫外场致发光。但是，紫外辐射的增强和薄膜生长技术的简化仍然十分重要。

在这次的研究中，通过掺杂Ag和Ag2O纳米颗粒，ZnO薄膜的紫外辐射得到显著增强。ZnO的紫外辐射增强应该主要是由Ag2O纳米颗粒和ZnO颗粒之间的激子引起的。

所有的样品都是采用直流反应磁控溅射的方法沉积在电阻率为20-30Ω/cm的n型Si（100）基片上的。样品A用的是纯锌靶沉积的。样品B、C、D和E分别是用分散分布了0.05%、0.3%、0.9%和2.4%的银点的锌靶沉积的。样品F是用纯Ag靶沉积的。溅射环境是6×10-2托的Ar和O2(Ar/O2=1/1)。基片温度为300℃，建设功率为16W(2kV,8mA)。所有样品都大约300nm厚。薄膜生长完后，所有的样品都要在1000℃、纯O2气环境下退火1h。薄膜的结构用飞利浦的X’Pert专业X射线衍射仪表征。X射线光电子分光计能谱是由Escalab MK II光电子分光计测量的。PL谱是在室温下用激发光波长为210nm的M850型荧光光谱测量的。形貌图是在AJ-III原子力显微分析仪上用原子力显微镜（AFM）拍下的。

图1显示了样品的X射线衍射（XRD）图。样品A至E只有一个ZnO(002)的普通峰。这一观察结果表明这些ZnO薄膜都是由高c轴取向的ZnO组成的。在曲线A和B中，唯一的ZnO（002）的峰分别位于34.39°和34.19°。在样品B中发现的角度略小

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是由于Ag+（半径1.02Å）离子取代了Zn2+离子（半径0.65Å）引起ZnO晶格常数增大。这种替换形式是AgZn载流子。另外，样品C和E的X射线衍射图谱和样品D的几乎是相同的。与样品B相同，样品D由于AgZn载流子，其ZnO（002）的峰也在34.13°。此外，样品D的另外4个Ag2O的峰也都观察到了。这是由于掺杂的Ag过多。Ag含量最多的样品F，除了ZnO（002）的峰和4个同样品D相同的Ag2O的峰外，还有一个很强的Ag峰。

图1 用了不同溅射靶的X射线衍射图谱 （a）纯ZnO （b）0.05%Ag （d）0.9%Ag （f）纯Ag

为了继续检查样品B中载流子AgZn的形式，测量了ZnO∶Ag/ZnO在n-Si衬底上的同质结（见图2）。同质结的结构同样也展示在图2中。掺杂Ag的ZnO和纯ZnO的I-V曲线表征测量所用电极分别是银和铟。在插图2中显示了Ag和ZnO∶Ag之间的欧姆接触电极。在图2中，I-V曲线显示ZnO∶Ag/ZnO同质结具有典型的二极管特征。这说明由于在ZnO中形成AgZn载流子，使得ZnO∶Ag层的能带结构不同于未掺杂的ZnO。

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图2 ZnO∶Ag/纯ZnO同质结的I-V曲线。插图为Ag和ZnO∶Ag的欧姆接触电极。

图片3显示了样品的原子力显微镜图片。样品A和B具有相同的大ZnO晶粒形貌，而在样品C、D和E中，在ZnO晶粒表面分散着许多大小小于100nm的小纳米颗粒。图片F也显示了在薄膜表面分散着一些纳米颗粒。比较图3和图1，这些纳米颗粒被认为是Ag2O。如图4所示，X射线光电子能谱测量也被用于表征ZnO-Ag2O样品。在367.8eV的峰对应着Ag的3d5/2，在373.7eV的峰对应着Ag的3d3/2。这个结果是存在Ag2O的证据。

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图3 用了不同靶的原子力显微镜图 （a）纯ZnO （b）0.05%Ag （c）0.3%Ag （d）0.9%Ag （e）2.4%Ag（ f）纯Ag

图4 ZnO-Ag2O薄膜的Ag3d结合能曲线的X射线光电子能谱

所有样品的室温光谱都显示在图5之中。样品A到E在520nm处的光致荧光强度都相同，这说明掺杂的Ag和Ag2O纳米颗粒对于任何样品在绿光处的发光是没有影响

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的。在紫外区域，发光强度取决于掺杂Ag的数量。样品A和B只在382nm处有发光，但样品B的发光强度却比样品A强很多。如图5所示，样品C和D有一个中心在365nm的很强的紫外发光，这个峰可以看作是两个分别在348nm和在382nm的峰的叠加。这些峰在曲线E中都出现了。用Ag靶沉积的样品F只在348nm有峰。与图3比较，很显然348nm的峰与Ag2O纳米颗粒有关。

图6显示了作为Ag靶性能的在382nm的发光强度。很清楚的是，这个峰的强度的随着AgZn载流子和Ag2O纳米颗粒的数量增加而增增强。已知ZnO在380nm的发光原因是激子的移动。未掺杂的ZnO薄膜没有足够的空穴去激子浓度。掺杂Ag后，Ag载流子带来了更多的空穴使得激子浓度增加，以至于如图5所示，紫外发光也适当增强。当ZnO薄膜中掺杂了过量的Ag后，会有Ag2O析出。纳米半导体材料一般比普通半导体材料有更多的空穴聚积在表面或交界面。所以，在纳米Ag2O和ZnO晶粒之间会有许多空穴出现。由于其很短的平均自由程和库仑力，ZnO中的电子很容易到达交界面。基于量子阱的影响，许多激子得以形成。然后由于激子跃迁，紫外发光增强。

总的来说，在室温下，在掺杂Ag的ZnO薄膜中观察到了很强的紫外发光。ZnO-Ag2O在紫外发光上是一种很有潜力的半导体材料，因为掺杂Ag使得激子的形成很容易。与常规的ZnO薄膜相比，ZnO-Ag2O薄膜由于其较强的紫外发光而更有优势。

图5 用了不同溅射靶的样品PL谱 （a）纯ZnO、（b）0.05%Ag、（c）0.3%Ag、（d）0.9%Ag、 （e）2.4%Ag、（f）纯Ag。插图为曲线D在紫外区域的高斯拟和。

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图6 382nm在处的发光强度与靶中掺杂Ag的量之间的函数关系。

这项工作得到了国家自然科学基金（5047200，10474091，90201038和50532070）以及中国科学院知识创新项目（KJCX2-SW-04-02）的支持。 参考文献：略

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