沉積時(shí)間對磁控濺射法制備寬禁帶半導體薄膜材料ZnS物性及光學(xué)性質(zhì)的影響
在沉積時(shí)間分別為1 h、1.5 h、2 h 及2.5 h 的條件下，分別用磁控濺射法制備了ZnS 薄膜，用XRD、SEM、臺階儀、橢偏儀等實(shí)驗儀器進(jìn)行物性檢測，最終發(fā)現，沉積時(shí)間越長(cháng)的薄膜，晶粒越小，密度越大，折射率越大;消光系數受晶粒大小、晶界多少、孔隙率等多種因素影響，呈現復雜變化。
硫化鋅是一種具有較寬帶隙的直接帶隙半導體材料，在光、電方面的一些物理性質(zhì)非常優(yōu)越。材料目前已被大量應用于太陽(yáng)能電池、光電材料、紅外窗口材料、化工材料等諸多領(lǐng)域。隨著(zhù)薄膜技術(shù)的日益發(fā)展，硫化鋅薄膜所具有的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、宏觀(guān)量子隧道效應等顯示出了其廣闊的應用前景。因此，如何選擇恰當的制備方法以及在制備過(guò)程中通過(guò)摻雜改性來(lái)提高硫化鋅薄膜的應用效能已成為硫化鋅材料研究中的一個(gè)重要課題。在眾多制備方法中，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為磁控濺射法能夠更好的覆蓋襯底，形成比較致密的薄膜。
本文用磁控濺射法制備了ZnS薄膜，并對薄膜的物理性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了細致的研究。為ZnS薄膜材料的進(jìn)一步應用，提供了實(shí)驗依據。
1、實(shí)驗
實(shí)驗使用射頻磁控濺射設備制備ZnS 薄膜，以硫化鋅塊材為靶材，玻璃作為襯底。將真空抽至1.8×10-4 Pa。襯底加溫至200 ℃。通入N2，氣流速度為40.0。射頻儀調節90 W，16.8 A，分別于1 h、1.5 h、2 h 和2.5 h 后，結束濺射過(guò)程。表面結構觀(guān)測采用日立SU2080 型掃描電子顯微鏡、晶體結構分析采用北京普析通用XD-3 型XRD 衍射儀，設定起始角= 20°，終止角= 60°。步寬= 0.02°。波長(cháng)=1.5406 nm，工作電壓36 kV，工作電流20 mA。對光學(xué)系數的分析采用了HORIBAJOBIN YVON MM-16 型橢偏儀，70°入射角，光的能量范圍1.461 eV~2.885 eV 進(jìn)行擬合。
2、結果及討論
2.1、掃面電子顯微鏡(SEM)結構觀(guān)察
用日立SU2080 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀(guān)測，結果如圖1 所示。通過(guò)電鏡成像，可直觀(guān)發(fā)現，本方法制備的ZnS 薄膜具有較完整和較均勻的結構。進(jìn)一步的觀(guān)察發(fā)現，薄膜沉積時(shí)間越長(cháng)，薄膜表面顆粒越致密，顆粒邊界越清晰。沉積時(shí)間越短則相反。沉積時(shí)間為2.5 h 的ZnS 薄膜顆粒邊界最為模糊，晶粒也最小，隨著(zhù)沉積時(shí)間變長(cháng)，薄膜晶粒逐漸變小。
圖1 (a)-(d)：1-2.5 h SEM 圖像
2.2、硫化鋅薄膜結構分析
硫化鋅的晶體結構具有閃鋅礦型(立方結構，β 相)和纖鋅礦型(六角結構，α 相)兩種。因此，在研究硫化鋅薄膜結構的過(guò)程中，首先要確定制備的究竟是何種相的硫化鋅。低溫煅燒形成β 相為主的材料，高溫煅燒形成α 相為主的材料，相變溫度為1020 ℃，所含雜質(zhì)不同其相變溫度略有不同。本次實(shí)驗采用靶材為β 相ZnS。硫化鋅晶體中，所有的基元都是等同的，其中的硫和鋅分別組成面心立方的布喇菲格子，而沿空間對角線(xiàn)位移1/4 長(cháng)度套構而成，這樣的結構統稱(chēng)為立方晶相(β 相)結構.整個(gè)晶體可看為是這種基元在空間三個(gè)不同方向各按一定距離，周期性地平移而構成。
采用北京普析通用XD-3 型XRD 衍射儀對ZnS 薄膜樣品進(jìn)行光譜分析。測得結果為圖2。
圖2 XRD 立體圖像
從XRD 圖形(圖3)可以看出：不同衍射峰峰高不同，按沉積時(shí)間由長(cháng)至短，衍射峰高度越來(lái)越低，驗證了薄膜厚度與衍射峰信號的正相關(guān)性。由圖1~2 可明顯看出，衍射峰位于29°附近，與標準卡片的立方晶向ZnS 卡圖比較，與代表β-ZnS 的(111)面的28.5°峰位非常吻合;由此可確認本次實(shí)驗成功制備了β 相ZnS。
圖3 橢偏儀擬合物理模型
3、結論
本文采用磁控濺射的方法，在確定的功率(90 W)和襯底溫度(200 ℃)下，通過(guò)對沉積時(shí)間(1 h~2.5 h)的控制，制備出β 相ZnS 薄膜。對薄膜的物理性質(zhì)研究發(fā)現沉積時(shí)間越長(cháng)，晶粒越小。沉積時(shí)間越長(cháng)，則晶粒越致密。對薄膜的光學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現：在薄膜晶粒大小相近的情況下，沉積時(shí)間越長(cháng)，則折射率n 越大。消光系數受多種因素影響，與晶界多少、晶粒大小和氣孔少密切相關(guān)，呈現復雜變化。
