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文丨修竹书生
编辑丨修竹书生
前言：
激光脉冲沉积使用 248纳米KrF准分子激光器 （Lambda Physics LPX 300）在真空室中沉积ZnO薄膜到玻璃底上。以激光10 Hz的重复率发射25纳秒脉冲。 通过独立的质量流量控制器引入高纯度的O2气体，工艺压力保持在5m Torr至10m Torr的范围内 。
本项目中使用的PLD系统材料来自PI-KEM有限制公司[49]，直接为25微米。它由99.999%高纯度的ZnO组成。夹杂的ZnO片材来自PI-KEM有限公司[49]，直线为25微米。它由98重量％的ZnO和2重量％的硅组合物。
激光束的典型能量为350毫米，发射器位于真空气室外。光学仪器，如透镜、镜子和光环，用于将以45°入射角、10rpm旋转速度的激光束通过真空气窗口聚集到金属上。在沉积室的入口之前放这些仪器。约为2.7 J/cm²。沉积使用的玻璃衬垫是来自康宁技术有限公司的水泥酸盐玻璃（Corning 1737）。最初底的尺寸为75毫米×50毫米。
通过使用金刚石刀将其切割成10 ×10米的片段。将倒底使用来确保与银漆的热接触。银漆由悬浮在甲基异丁发酵液中的非常细小的银片组合而成。在沉积之前，使用*酮丙**清洁液底部10分钟，随着后使用乙醇超声激发10分钟 。
然后使用蒸喷水冲洗并使用压缩空气干燥。最后， 玻璃垫底夹在可以将其温度调节到约200°C的加热器上 。为了获得最好的ZnO薄膜性能，使用表4 -1、表4-2和表4-3中列出的几个参数，并和下一篇将研究所有参数。
电导率测量：通过四探针法计算了ZnO薄膜的平均电阻。在每个薄膜上以对称位置共九个不同位置进行测量，并使用 EXCEL程序 分析所有数值。四探针系统由四个等距离的钨探针组成，每个探针具有有限半径。 每个探针都由弹簧支撑 ，以最小化在测量样品时对样品的损坏。
使用高阻抗电流源通过外部两个探针提供电流，伏特表测量内部两个探针之间的电压、、），以确定样品的电阻。
在参考文献中，对于样品厚度t >> s的块体样品，我们假设电流从外部探针尖端突起为球形。差分电阻为： ∆R = ߩሺ dV dx ሻS。
然后在内部探针尖端（测量电压的位置）之间进行积分得到： R = 2 πρ ∫ 2 2 2 x S dx s 1 − πρ | s s 2πρ 2 1 s，其中s是探针间距。
此外，外部两个探针处的电流叠加可以表示为R = V / 2I。因此，我们进一步修改了薄膜电阻率的表达式： ܸ൬ ݏߨ2 ൌ ߩ ܫ ൰。
如果薄膜非常薄（厚度t << s），我们得到的是电流环而不是电流球。因此，我们可以将面积A = 2xt的表达式带入电阻方程中。 R = ఘ ଶగ௫௧ ଶ௦ ௦ ௗ௫ ௫ ൌ ఘ ଶగ௧ ln ሺݔሻ|௦ ଶ௦ ൌ ఘ ଶగ௧ ݈݊2。
因此，对于R = V / 2I，薄膜的片电阻率为： ଷ ଵ ൌ ߩ ݐߨ ݈݊2 ൬ ܸ ܫ ൰
由于已经得到了薄膜电阻率的方程，我们可以使用四探针法测量薄膜的电阻，然后使用这个方程计算电阻率。
透明度测量在光学理论中[21]，透射率是指特定波长的入射光通过样品的分数，我们将对同一样品进行两到三次测量，然后使用EXCEL程序绘制透明度谱图来分析光学性质。
透射率（T）可以表示为以下方程： T = ூ ூబ 其中Io是入射光的强度，I是从样品出射的光的强度。因此，基于上述理论，我们可以使用6130型双光束分光光度计（从Jenway公司购买）来测量所有样品的透射率。
透射率是作为波长（300-1000 nm）的函数进行测量的。此外，透射率与吸光度A的关系为： A = -lnT = -ln( ூ ூబ ሻ。
3.4 结构使用带有Cu Kα辐射源的Siemens半导体X射线衍射仪对ZnO薄膜的晶体结构进行了研究。Cullity [54]指出，当波与一系列间距与波长数量级相当的规则障碍物相互作用时，会发生衍射现象。此外，衍射是两个或多个通过障碍物散射的波之间建立的特定相位关系的结果。
一开始，它们都具有相同的波长，两个波都经历了散射事件。如果此路径长度差是波长的整数倍，如（a）所示，这些散射波仍然处于相位。 这被称为相互加强 。然而，在（b）中，散射后的路径长度差是半波长的整数倍，散射波不再处于相位。因此，Bragg利用这一现象发现了Bragg定律（n = 2 d sin ），用于研究材料的结构。
结果与讨论氧气压力的影响氧气压力一直被认为是脉冲激光沉积（PLD）生长过程中最重要的参数之一。
它对外延质量、表面形貌和光电性能都有敏感影响。此外， 氧气压力还用于控制影响薄膜导电性的氧空位和缺陷密度 。
过多的氧空位将作为不捐赠电子的缺陷，并通过减少导电电子来降低导电性。因此，在薄膜生长过程中 需要一定程度的环境氧气压力以改善导电性 。在本节中，为了研究氧气压力对ZnO薄膜的影响，我们只改变氧气压力，而保持其他参数不变。
4.1.1 电学性质图显示了在玻璃衬底上沉积的ZnO薄膜的电学性质随环境氧气压力变化的情况。电阻率随氧气压力的增加而缓慢增加，直到10 mTorr（1.3 Pa），然后在PO2进一步增加到50 mTorr（6.7 Pa）时急剧增加。
可以清楚地看到，ZnO薄膜的电阻率对环境氧气压力非常敏感，而在10 mTorr（1.3 Pa）和20 mTorr（2.6 Pa）之间的氧气压力范围内可以获得较低的电阻率。
环境氧气压力相应地影响了ZnO薄膜的电学性质[56, 57]，这是由于化学计量效应造成的，这一点可以从中看出。 随着氧气压力的增加，电子浓度趋向下降 ，而薄膜的电阻率增加，这与氧空位的密度减少有关，氧空位是浅层施主；这也表明ZnO薄膜在氧供应增加的情况下趋向于改善化学计量。
此外，郑和郭[58]还指出，环境氧气压力的敏感性可以通过PLD的一个特点来解释。他们观察到在低氧气压下，由于每种物种的速度不同，各种物种在基底表面上的密度不均匀，这也在薄膜中产生缺陷中心，增加了薄膜的电阻率。
然而，如果氧气压力过高，激光产生的喷流中各种物种与氧分子发生碰撞，速度将减慢，从而降低物种的表面活性。
因此，高氧气压力导致物种的迁移性降低，这是物种的迁移性进一步导致晶体质量降低。
总之，环境氧气压力与ZnO薄膜的电阻率密切相关，这是由于物种的迁移性和化学计量效应所致。因此，为了获得高导电性的ZnO薄膜，环境氧气压力应在约10 mTorr左右。
4.1.2 光学性质图4-30显示了不同环境氧气压力下沉积在玻璃衬底上的ZnO薄膜在300 nm至1000 nm波长范围内的透射谱。
观察到随着环境氧气压力的提高，透射率得到改善，在环境氧气压力为50 mTorr时，可以实现在整个波长范围上的平均透射率达到91％。这个结果也表明透射率对环境氧气压力非常敏感，Jin等人[56]指出“紫外发射的一个重要特性可能是ZnO的化学计量，它通常在晶格中有很多氧空位。”因此可以预期，在更高的50 mTorr氧气压力下生长的ZnO薄膜可能具有更好的化学计量，氧空位较少。
4.1.3 表面形貌显示了在环境氧气压力为10 mTorr至50 mTorr下通过PLD在玻璃衬底上生长的ZnO薄膜的五张原子力显微镜（AFM）图像。很明显，颗粒尺寸随着环境氧气压力的增加而增加。此外，在D=55mm、激光能量密度=2.7J/cm2和Ts=300下沉积的ZnO薄膜的粗糙度随环境氧气压力的增加而增加。
随着氧气压力的增加，表面粗糙度的增加可能归因于激光诱导喷流中颗粒形成的增强，这是高压激光消融的典型特点，另一方面，如果在真空中进行激光消融实验，在颗粒到达衬底之前没有碰撞。此时，颗粒主要由靶材中受到反冲压力排出的凝固液滴形成。
因此，我们可以观察到蒸汽物种以均匀的背景膜的形式生长。然而，如果环境氧气压力增加， 蒸汽物种将会发生足够的碰撞 ，以至于在到达衬底之前就可以发生这些蒸汽物种的成核和生长形成颗粒。然后，颗粒的形成从液滴转变为蒸汽物种。
从生长机制转变为扩散的时刻开始，颗粒在蒸汽中的停留时间决定了颗粒的尺寸。因此，可以观察到随着停留时间的增加，颗粒变得更大。
4.1.4 结构性质图显示了在不同氧气压力下在玻璃衬底上生长的ZnO薄膜的X射线衍射（XRD）图样，清楚地观察到在5 mTorr至50 mTorr的氧气压力范围内，ZnO薄膜完全沿c轴定向生长，没有任何不同取向的平面的迹象。
Yoo等人[44]指出，在典型生长条件下，ZnO薄膜通常具有沿c轴的优先取向，这归因于ZnO中(002)基面的表面能最低，导致在(002)方向上的优先生长。
对于在5 mTorr至20 mTorr氧气压力范围内生长的ZnO薄膜，(002)衍射取向的峰强度值非常相似。然而，对于在30 mTorr至50 mTorr范围内生长的ZnO薄膜，(002)衍射取向的强度极低，表明在较高的氧气压力下生长的ZnO薄膜的结晶质量非常低。
如图4-35所示，对于在5 mTorr至20 mTorr氧气压力范围内沉积的所有薄膜，(002) XRD峰的半高宽（FWHM）都相当低，但随着氧气压力增加到30 mTorr，FWHM迅速增加。众所周知，FWHM越小，薄膜的结晶性越高。
因此，FWHM的结果与峰强度值（002）的结果一致，再次支持在一定的氧气压力下沉积的ZnO薄膜显示出退化的结晶质量。
衬底温度的影响可以得出结论，为了获得更高导电性的ZnO薄膜，相对优化的氧气压力应为10 mTorr。因此，根据，使用PLD技术，在玻璃衬底上生长了氧气压力为10 mTorr的ZnO薄膜，并研究了它们的电学性质、光学性质、形貌和晶体性质。
结论：
综上所述，薄膜的质量与生长温度的依赖关系主要归因于沉积和生长过程中原子的迁移性。在低衬底温度下，具有低表面能的蒸汽物种到达衬底表面，而在缺乏热扩散过程的情况下，这些迁移性较低的物种进一步阻碍了薄膜的结晶。
然而，在高衬底温度下，物种具有足够的迁移性，可以将原子排列在晶胞的适当位置，生长温度的增加使扩散的氧和锌原子增加在表面上，可以导致氧和锌缺陷的减少，缺 陷的密度降低，才可以生长出更高结晶度的薄膜 。
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