ZnO薄膜的制备及光致发光性研究

周昆 马向东 周文彩

1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 100083;2.中国科学院理化技术研究所 100190

ZnO薄膜的制备及光致发光性研究

周昆1马向东1周文彩2

1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 100083;2.中国科学院理化技术研究所 100190

采用湿化学刻蚀的方法在金属制品锌箔表面获得了一层薄膜。通过XRD、扫描电镜、荧光光谱对所生成的薄膜进行一系列的表征。证明该薄膜为ZnO薄膜, 六方片状结构，荧光光谱分析结果显示其在380，460有两个发光峰。

氧化锌薄膜；湿化学方法；结构；光致发光

oxide film of ZnO ; wet chemical methods;structure; PL

1 前言

ZnO是一种重要的II-IV 族直接带隙宽禁带半导体材料。室温下能带带隙为3.37 eV，激子束缚能高达60 meV,能有效工作于室温及更高温度[1]。所以ZnO成为同激子有关的光学器件的最佳候选材料。

纳米氧化锌的制备方法有很多，例如水热法[2]、磁控溅射[3,4]、溶胶-凝胶法[5]、热解法[6]、热氧化法[7]、金属有机化学气相沉积[8,9]、脉冲激光沉积[10]等多种方法，可以获得不同纳米结构的氧化锌。

本文采用湿化学刻蚀的方法制备纳米氧化锌薄膜，并对它的制作过程、形貌和发光特性进行研究。

2 实验部分

2.1 实验材料

锌片（40*10*0.5mm）、 (NH4)2S2O8（分析纯）、C6H12N4（分析纯）、氨水（15%）、去离子水。

2.2 制备

本实验采用的是湿化学刻蚀的方法，该方法是使用化学腐蚀的方法在锌片的表面发生氧化反应形成一层氧化物，选择合适的腐蚀液并控制腐蚀速度和腐蚀温度来得到所需的ZnO薄膜。

实验过程中将锌片表面打磨去除杂质；称量一定量的(NH4)2S2O8和C6H12N4加入到浓度为15%的氨水中，搅拌溶解；当溶解完全后将上述混合溶液转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜中。将锌片放入反应釜中固定，在80℃中保温20h。然后取出用去离子水冲洗后晾干。

2.3 表征

（1）X射线衍射分析（XRD）：将湿化学刻蚀后的锌箔制成样品，用X射线衍射（XRD）分析仪（型号为XRD-7000，工作电压40kV，工作电流30mA）对其进行XRD分析。

（2）扫描电子显微镜分析（SEM）：先对湿化学刻蚀后的锌箔进行喷金，然后用JSM-5160V型扫描电子显微镜观察其显微结构并进行微区化学成分分析。

（3）荧光光谱分析：将湿化学刻蚀后的锌箔制成样品，并用荧光分光光度计（CRT-9700）测定样品的吸光度。

3 结果与讨论

本实验通过湿化学刻蚀制备技术制取了ZnO纳米材料，并对其晶型和形貌进行了表征分析。

图2 ZnO薄膜的SEM图像Fig 2 SEM images of ZnO

3.1 物相分析

图1 ZnO的XRD谱Fig1 XRD patterns of ZnO

锌箔表面进行XRD分析，谱图如图1所示。对照标准的JCPDS卡52664，在2 θ = 36.3°的衍射峰对应于六角纤锌矿结构的ZnO (晶格常数a = 01324 nm ,c = 0. 519 nm) 的(101)面[10]，说明生成的是具有六方结构的ZnO 纳米片。2θ =39°，43.2°和54.3°处的衍射峰都属于Zn，其中2θ = 39°和43.2°分别对应于(100)、(101)晶面[11]。样品衍射峰的半高宽较窄,由谢乐公式（D=Kλ/βcosθ）可知,半高宽数值越小,结晶质量越好。这说明有ZnO生成，而且结晶较好。

3.2 微观形貌分析

图2是锌箔表面的氧化物薄膜的SEM图片，其中(a) (b)两图分别取自不同位置，可以很明显地观察到许多组成花型的片层结构，该片层结构表面光滑，形态均匀，每个片层直径在4～6μm，厚度达到纳米级。在一些位置还有少量的棒状结构。整体来说该薄膜比较均匀，形貌达到预期要求。

3.3 荧光光谱分析

图3是制备的ZnO薄膜荧光光谱图，由图3可以观察到ZnO在380 nm附近有个紫外发光峰，460 nm有个蓝光发光峰。符合纳米ZnO的发光特性。

对于380 nm 处的紫光峰，有人认为主要有两个来源, 一是自由激子的自发辐射, 二是由于高激发密度导致的电子2空穴等离子体发射[11]。本实验中限于条件,不能对这一发射做进一步的测试。但可以推测该发射谱带是与纳米氧化锌的所谓“内禀”激子态相关的。这可以由氧化锌具有较大的激子束缚能这一事实得到确认。

对于样品出现了460 nm左右的蓝光峰。有人研究证明直接在锌片上制备各ZnO薄膜时，一般都会出现锌过剩而缺氧，即容易有过量的锌原子成为填隙原子[12]。ZnO薄膜的光学性能与薄膜的结晶情况有关，而薄膜的结晶特性在一定程度上反映薄膜缺陷和杂质方面的信息。所制备薄膜在460nm处的蓝光发射峰的出现对ZnO基蓝光发射器件的研究具有重要意义，制备实用的ZnO基蓝光发射器件。

4 结论

本实验采用湿化学刻蚀的方法制备出了ZnO薄膜，其为六方晶体结构，粒子外形基本为片层状。经荧光光谱分析得出该ZnO薄膜在紫光和蓝光均有发光峰。该ZnO薄膜的荧光性质使其很可能成为蓝光和紫外光区域间的光学材料，在短波长发光二极管、激光器、紫外探测器等方面都有着广阔的应用前景。

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ZnO film was synthesized by wet chemical etching on the surface of Zn foil. The mineral phases and microstructures of the obtained ZnO film were analyzed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). For further investigation of the mechanical properties of product, fluorescence spectrum analysis was conducted. The experimental results show that the ZnO film presents six-party sheet structure and the film diameterμ is 4～6 m. The fluorescence spectrum analysis results show that there has two photoluminescence peaks in 380 and 460.

0484

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.027

周昆（1987-），男，在读硕士，师承马向东教授，从事材料学研究；

马向东，教授。