热处理对溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜性能的影响

52材料导报B研究篇2013年8月下第27卷第8期热处理对溶胶一凝胶法制备ZNO薄膜性能的影响张丽丽，周炳卿，张林睿，李海泉内蒙古师范大学物理与电子信息学院，功能材料物理与化学自治区重点实验室，呼和浩特010022摘要以CH3CO02ZN2H2O为前驱物，利用溶胶一凝胶旋转涂膜法以普通玻璃为基底制备ZRL0薄膜。分别采用X射线衍射仪、紫外一可见分光光度计和扫描电予显微镜等对ZNO薄膜的物相组分、透射率和表面形貌进行测量与表征。研究了热处理温度对ZNO薄膜的物相结构和光学特性的影响。实验结果表明，ZNO薄膜的物相结构和可见光透射率都与热处理温度有关，随着热处理温度升高，ZNO薄膜的晶粒尺寸增大，晶格常数逐渐减小，薄膜的透射率增大。关键词ZNO薄膜溶胶一凝胶法物相结构表面形貌透射率中图分类号04844；TN304055文献标识码ATHEINFLUENCEOFHEATTREATMENTONPERFORMANCE0FZNOTHINFILMPREPAREDBYSOLGELMETHODZHANGLILI，ZHOUBINGQING，ZHANGLINRUI，LIHAIQUANKEYLABORATORYOFPHYSICSANDCHEMISTRYFORFUNCTIONALMATERIAL，COLLEGEOFPHYSICSANDELECTRONINFORMATION，INNERMONGOLIANORMALUNIVERSITY，HUHHOT010022ABSTRACTTHEZNOTHINFILMSWEREPREPAREDONTHEGLASSSUBSTRATESBYSOLGELANDROTATINGFILMMETHODWITHCH3COO2ZN2H20THECOMPONENTSOFANOBJECT，THETRANSMISSIONSPECTRUMANDMORPHOLOGYOFZNOTHINFILMWEREMEASUREDANDCHARACTERIZEDUSINGXRAYDIFFRACTOMETER，U、，VISSPECTROPHOTOMETER，ANDSCANNINGELECTRONMICROSCOPE，RESPECTIVELYTHEEFFECTSOFHEATTREATMENTTEMPERATUREONTHEPHASESTRUCTUREANDOPTICALPROPERTYOFZNOTHINFILMSWERERESEARCHEDTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEPHASESTRUCTUREANDOPTICALPROPERTYOFZNOTHINFILMSARERELATEDTOTHEHEATTREATMENT，WITHHEATTREATMENTTEMPERATUREINCREASING，THEGRAINSIZEOFZNOTHINFILMINCREASED，THELATTICEPARAMETERGRADUALLYDECREASED，THETRANSMISSIONOFTHINFILMINCREASEDKEYWORDSZNOTHINFILM，SOLGELMETHOD，PHASESTRUCTURE，MORPHOLOGY，TRANSMITTANCE0引言氧化锌ZNO材料是一种直接带隙、宽禁带的N型半导体材料，晶格常数A为032426NM，C为051948NM，室温下禁带宽度为337EV，比传统半导体材料的禁带宽度宽1。它不仅具有优良的光电性能2和压电特性，还具有容易掺杂、无毒性等优点，因此其在压电、光电导、光波导、发光器件、激光器和紫外光探测器、气敏传感器以及太阳能电池的透明电极等方面有广阔的应用前景3。目前，制备ZNO薄膜的方法有很多，主要包括电子束蒸发法，5、化学气相沉积法引、磁控溅射法71O、溶胶一凝胶法11,12和激光脉冲沉积法1。等。其中，溶胶一凝胶法具有成本低、工艺设备简单、热处理温度低、成膜均匀性好、对衬底要求比较宽、可精确控制掺杂水平等优点。本实验采用溶胶一凝胶法制备ZN0薄膜，并采用X射线衍射仪、紫外一可见分光光度计和扫描电子显微镜等对ZNO薄膜的物相组分、透射率和表面形貌进行测量与表征，讨论了退火温度对ZNO薄膜物相结构和透射率的影响。1实验本实验以二水合乙酸锌CH。COOZN2H0作为前驱物，乙二醇甲醚作为溶剂，单乙醇胺作为稳定剂，所用试剂均为分析纯。首先将一定量的二水合乙酸锌溶解在乙二醇甲醚中制备出ZN。浓度为075MOLL的溶液，然后再加入与ZN等物质的量的单乙醇胺，在6O充分搅拌1H形成透明的均匀溶液。采用普通载玻片作为衬底材料，依次用去离子水、H0。和浓H2SOH202与浓H2SO的体积比为11、去离子水于100加热1015RAIN，然后再分别用丙酮、无水乙醇超声清洗5RAIN，烘干后备用。采用旋转法进行涂膜，首先调整KW4A型匀胶机，将转速调为3000RMIN，旋转时间为30S。然后将已经处理好的玻璃片固定在匀胶机上旋转涂膜，国家自然科学基金51262022张丽丽女，1987年生，硕士生，主要从事光电薄膜材料与太阳能电池研究EMAILZHANGLILI03SINOCORN周炳卿通讯作者，男，教授，主要从事光电薄膜材料与太阳能电池研究DMAILBQZHOU6963163COM54材料导报B研究篇2013年8月下第27卷第8期温度分别为300、400、450、500，热处理时间为1H，经7次涂层制得的ZN0薄膜的透射光谱。由图4可看出，在波长为550NM处ZNO薄膜的透射率均达到87以上，并且随着热处理温度的升高其透射率增大，这是由于随退火温度升高，薄膜颗粒的粒径增大，结晶更完整，减少了对光的散射作用，从而提高了薄膜的透射率。图4不同退火温度下ZNO的透射率FIG4TRANSMISSIONRATEOFZNOTHINFILMATDIFFERENTHEATTREATMENTTEMPERATURE由薄膜的结构和表面形貌可知退火温度为500时薄膜质量较好，因此选择热处理温度为500时薄膜的透射光谱进行讨论。图5是热处理温度为500，热处理时间为1H，经7次涂层制得的ZNO薄膜的透射光谱。由图5可看出，其在可见光范围400800NM内均有较高的透射率且平均值高达9435，说明薄膜的质量很好，对电磁波的本征吸收限约为370NM，处于紫外区域，表明ZNO薄膜具有紫外截止性能。0口皇宣C害图5ZNO薄膜的透射光谱FIG5TRANSMISSIONSPECTRUMOFZNOTHINFILM3结论采用溶胶一凝胶旋转涂膜法制备ZNO薄膜，研究了热处理温度对ZNO薄膜的物相结构和光学特性的影响。实验结果表明，ZNO薄膜的物相结构和光学特性都与薄膜的热处理温度有关，随热处理温度的升高，其002特征峰的强度增强，半高宽变小，平均晶粒度增大，晶格常数逐渐减小，薄膜在可见光区的透射率也增大。因此，采用溶胶凝胶法，通过控制工艺参数，并在适当的热处理温度与时间下，可以制备出光学性能优良的ZNO薄膜。参考文献1PANDISCH，BRILISN，TSAMAKISD，ETA1ROLEOFLOW02PRESSUREANDGROWTHTEMPERATUREONELECTRICALTRANSPORTOFPLDGROWNZNOTHINFILMSONSISUBSTRATESJSOLIDSTATEELECTRON，2006，50611192LOKHANDEBJ，PATILPS，UPLANEMD，ETA1STUDIESONSTRUCTURAL，OPTICALANDELECTRICALPROPERTIESOFBORONDOPEDZINCOXIDEFILMSPREPAREDBYSPRAYPYROLYSISTECHNIQUEJPHYSICABCONDENSEDMATTER，2001，302303593LUFENG，XUCHENGHAI，WENLISHIDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFZA0THINFILMSJVACCRYOGEN，2001，73125陆峰，徐成海，闻立时ZAO薄膜的研究现状及发展趋势J真空与低温，2001，731254MAJIN，LISHUYINGPREPARATIONOFZNOTRANSPARENTCONDUCTIVEFILMSBYREACTIVEEVAPORATION口JSHANDONGUNIVERSITYNATSCIED，1994，292230马瑾，李淑英真空反应蒸发制备ZNO透明导电薄膜口山东大学学报自然科学版，1994，2922305SWAMYHG，REDDYPJPREPARATIONOFZN0FILMSBYACTIVATEDREACTIVEEVAPORATIONJSEMICONDSCITECHN，1990，599806POLLEYTA，CARTERWB，POKERD13DEPOSITEDOFZINCOXIDETHINFILMSBYCOMBUSTIONCVDJTHINSOLIDFILMS，1999，35721327MOHAMEDGA，MOHAMEDEA，ELFADLAAOPTICALPROPERTIESANDSURFACEMORPHOLOGYOFLIDOPEDZNOTHINFILMSDEPOSITEDONDIFFERENTSUBSTRATESBYIX；MAGNETRONSPUTTERINGMETHODJPHYSICABCONDENSEDMATTER，2001，3083109498LUFENG，XUCHENGHAI，CAOHONGTAO，ETA1STUDIESOFTRANSPARENTCONDUCTIVEZNOA1NANOFILMSEJVACSCITECHNCHINA，2003，2319陆峰，徐成海，曹洪涛，等透明导电ZNOALZA0薄膜的性能分析EJ真空科学与技术，2003，23199KIMKH，PARKKC，MADYSTRUCTURALELECTRICALANDOPTICALPROPERTIESOFALUMINUMDOPEDZINCOXIDEFILMSPREPAREDBYRADIOFREQUENCYMAGNETRONSPUTTERINGJJAPPLPHYS，1997，811277641OWENDTR，ELLMERKDESORPTIONOFZNFROMAGROWINGZNO。ALFILMDEPOSITEDBYMAGNETRONSPUTTERINGJSURFCOATTECHN，1997，9352711SILVARF，ZANIQUELLIMEDALUMINIUMDOPEDZINCOXIDEFILMSPREPAREDBYANINORGANICSOLGELROUTEJTHINSOLIDFILMS，2004，44918612LEEJH，PARKBOTRANSPARENTCONDUCTINGZN0AL，INANDSNTHINFILMSDEPOSITEDBYTHESOLGELMETHODJTHINSOLIDFILMS，2003，4261294下转第73页基于膜分散技术连续制备纳米FE34的研究关晓辉等73峰，3460CM处是一OH基团的伸缩振动吸收峰，由于十二烷基硫酸钠中硫酸根的存在，十二烷基硫酸钠的空间位阻大于油酸钠对纳米FE。O的影响，使得吸收峰发生偏移，1070CM和1220CM处是十二烷基硫酸钠的特征吸收峰，说明FE。O表面修饰了十二烷基硫酸钠。3结论基于膜分散技术和化学共沉淀法相结合的思想，利用双膜分散法将两种反应物溶液分别通过膜组件同时分散到反应器的溶剂中并发生微混合反应，可连续制备出球形度好、粒径分布均匀、平均粒径在1O20ILM之间的纳米FE。O。连续制备纳米FE。O的条件为铁混合溶液的平均流量为68MLH，NAOH溶液的平均流量为132MLH，此时FE。O平均产量可达到420GMH。以油酸钠和十二烷基硫酸钠为分散剂，可有效减轻FE。O团聚现象，其中油酸钠的修饰效果优于十二烷基硫酸钠的修饰效果。参考文献1李德才磁性液体密封理论及应用M北京科学出版社，20032802GUANXIAOHUI，ZHAOJIE，QINYUCHUNPREPARATIONOFFE3O,1NANOPARTCILESANDITSCHARACTEROFAUXILIARYADSORPTIONTOHEAVYMETALIONSL,JENVIRONCHEM，2005，244409关晓辉，赵洁，秦玉春纳米FESO的制备及其辅助吸附重金属离子的特性FJ环境化学，2005，2444093ZHAOYANBI，QIUZUMIN，HUANGJIAYINGPREPARATIONANDANALYSISOFFEA04MAGNETICNANOPARTICLESUSEDASTARGETEDDRUGCARRIERSL,JCHINESEJCHEMENG，2008，1634514GUANXIAOHUI，QINYUCHUN，WANGLIWEN，ETA1STUDYONTHEDISPOSALPROCESSFORREMOVINGHEAVYMETALIONSFROMWASTEWATEBYCOMPOSITEBIOSORBENTOFNANOFE304SPHAEROTILUSNATANSEJENVIRONSCI，2007，282436关晓辉，秦玉春，王立文，等纳米FE。04负载的浮游球衣菌去除重金属离子的工艺研究J环境科学，2007，2824365CHAIYAPRUKK，RATANARSYNTHESISOFMAGNETICNANOPARTICLEINTOBACTERIALCELLULOSEMATRIXBYAMMONIAGASENHANCINGINSITUCOPRECIPITATIONMETHODJCARBOHYDRPOLYM，2011，8611626YUWENGUANG，ZHANGTONGLAI，QIAOXIAOJING，ETA1PREPARATIONANDCHARACTERIZATIONOFMAGNETITENANOPARTICLESWITHVARIOUSMORPHOLOGIESBYONEMETHODJCHINESEJINORGCHEM，2006，2271263于文广，张同来，乔小品，等不同形貌FE3O4纳米粒子的氧PP；P上接第54页13JAEHC，HITOSHIT，TOMOJIKINITIALPREFERREDGROWTHINZINCOXIDETHINFILMSONSIANDAMORPHOUSSUBSTRATESBYAPULSEDLASERDEPOSITIONJJCRYSTGROWTH，2001，226449314CHENWENWEN，LUJUN，WANGJIANMIN，ETA1INFLUENCEOF化沉淀法制备与表征_J无机化学学报，2006，22712637CHEND，XURHYDROTHERMALSYNTHESISANDCHARACTERIZATIONOFNANOCRYSTALLINEFE304POWDERSL,JMATERRESBULL，1988，33710158LIANGXJ，ETA1PREPARATIONOFNANOFE3O4PARTICLESWITHMICROEMULSIONMETHODJSILICATESIND，2009，72019SENOYT，SAKTHIKUMARD，ETA1SPECTROSCOPICANDPHOTOLUMINESCENCESTUDIESONOPTICALLYTRANSPARENTMAGNETICNOANOCOMPOSITESBASEDONSOLGELGLASSFES04JJNANOPARTICLERES，2008，101203L0IIUXH，GUOY，WANGYG，ETA1DIRECTSYNTHESISOFMESOPOROUSFE3O4THROUGHCITRICACIDASSISTEDSOLIDTHERMALDECOMPOSITIONJJMATERSCI，2010，45490511MAGUANGLIANG，ETA1PREPARATIONOFNANOPARTICLESUSINGHOLLOWFIBERMEMBRANEDISPERSIONTECHNOLOGYJJBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYNATSCI，2009，36115马光亮，等用中空纤维膜分散技术制备纳米颗粒EJ北京化工大学学报自然科学版，2009，3611512IISW，XUJH，LUOGSCONTROLOFCRYSTALMORPHOLOGYTHROUGHSUPERSATURATIONRATIOANDMINGCONDITIONSRJJCRYSTGROWTH，2007，304121913IIMIN，WANGJIEXIN，WANGQIAN，ETA1PREPARATIONOFULTRAFINECALCIUMCARBONATEUHRAFINEPARTICLESUSINGANOVELTUBEINTUBEMICROREACTORIJJBEIJINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOLOGYNAT