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2005 届优秀毕业论文[设计]集(第五册理学院)
Collection Graduation Theses (Projects) of SZU 2005 (VOLUME V School of Science)

阳极电沉积法制备 ZnO 薄膜的探索

(理学院,材料科学与工程系,材料科学与工程专业林丹凤)
(学号:2001143006)

内容摘要:本文对在碱性电解液中,用阳极电沉积法制备 ZnO 薄膜的可行性进行了探讨。
研究了衬底材料、电流密度、电势、OH−浓度、阳极电活性物质等工艺条件对薄膜的形成和质量
的影响,并用 X 射线衍射法对样品进行了表征。实验结果表明:在碱性溶液中可以用阳极电沉
积法制得 ZnO 薄膜;在碱性条件下,阳极电活性物种对薄膜的形成及其质量的影响较为显著。
因此,找到能够通过阳极氧化反应消耗 OH−而又不产生大量气体的电活性物种是用阳极氧化法
制备性能优良的 ZnO 薄膜的关键。
关键词:ZnO 薄膜;电化学沉积;阳极氧化;工艺条件
教师点评:阳极电沉积制备 ZnO 薄膜是一项文献中尚未有报道的开创性工作,林丹凤同学
2−− 2−−
的论文在这方面进行了积极的探索。本论文在含 ZnO2 的碱性溶液中,分别以 OH 、SO3 和 NO2
离子为阳极电活性物质,研究了衬底材料、pH 值、电流密度和沉积电势(或电压)等因素对薄
膜电沉积的影响,在此基础上用阳极电沉积法制备了 ZnO 薄膜,并提出了改善 ZnO 薄膜质量所
需要解决的关键问题。这些结果对于进一步深入研究 ZnO 薄膜的阳极电沉积奠定了良好基础,
是十分有意义的。本论文实验方案合理,结果可靠,具有一定的创新性,是一篇优秀的本科毕业
论文。(点评教师:柳文军,讲师)

1. 前言
. ZnO 材料简介
ZnO 是一种具有六方纤锌矿结构的宽带隙半导体,晶格常数 a = nm,c = nm[1, 2]。
本征 ZnO 薄膜的电阻率高于 108 Ω·cm,改变生长、掺杂或退火条件,可形成简并半导体,导电
性能大幅度提高,电阻率可降低到 10−2 Ω·cm。
目前,ZnO 在电子、光学、声学及化学等领域都有广泛应用。ZnO 薄膜的高电阻率与单一
的 c 轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数,较低的温度系数和较小的介
电常数,可用作各种压电、压光、电声与声光器件。室温下,ZnO 的禁带宽度约为 eV,其
激子束缚能高达 60 meV,远大于其室温热离化能 26 meV。从理论上说,具有较大束缚能的激子
更容易在室温下实现高效率的激光发射。因此,与其它几种宽禁带发光材料,如 ZnSe、ZnS 和
GaN(激子束缚能分别为 22 meV、40 meV 和 25 meV)相比,ZnO 是一种更为合适的应用于室
温或更高温度下的紫外发光材料。
. p 型 ZnO 薄膜简介
本征 ZnO 是一种 n 型半导体,但是通过掺杂可以实现 p 型转换。目前,有关 n 型 ZnO 薄膜
的研究已有大量文献报道,而 p 型 ZnO 薄膜的制备却很少有报道。这主要是由于 ZnO 薄膜存在
较强的自补偿机制,并且掺杂受主的固溶度较低,使 ZnO 的 p 型掺杂很难有效实施。因此,克
服自补偿效应,进行有效、可控制的掺杂,是制备 p 型 ZnO 薄膜的关键。
根据 p 型 ZnO 的掺杂理论和实践[3],目前国内外有关 p 型 ZnO 薄膜的制备主要有三种思路。
(1) 通过在 ZnO 中掺杂 Au[4]、Ag[5]、Cu[6]和 Li[7]等 I 族元素制备 p 型 ZnO。但研究表明,
在 ZnO 中,I 族掺杂元素的能级很深,掺杂浓度也不高,因此作为受主掺杂并不理想。
(2) 通过在 ZnO 中掺杂 N、P 和 As 等 V 族元素或共掺杂 V 族和 III 族元素(如 Al、Ga 和
In)实现 p 型 ZnO 的制备[8-17],其中以 N 掺杂的效果最好,并且利用施主-受主共掺杂技术,可
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林丹凤:阳极电沉积法制备 ZnO 薄膜的探索

以增大和调节 N 的掺杂浓度。
(3) 通过过量的氧消除自补偿效应实现 ZnO 的反型[18, 19]。
目前,制备 p 型 ZnO 薄膜的技术主要有化学气相沉积、激光脉冲沉积、电子回旋共振、反
应磁控溅射和超声喷雾热分解等。这些技术制备的 p 型 ZnO 薄膜存在的主要问题是难以控制掺
杂浓度、掺杂浓度较低、载流子迁移率和电导率低等。
. 电沉积法制备 ZnO 薄膜的基本原理
. 电沉积法