恒电流法制备ZnO薄膜及其光学性能研究

【前言】恒电流法制备ZnO薄膜及其光学性能研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。二、实验 实验采用三电极恒电流方式，ITO为工作电极，Pt为辅助电极，甘汞电极为参比电极。电解液为去离子水配置的Zn（NO3）2溶液，加入KNO3来调节电解液pH调成5.0±0.1，利用恒温水浴对电解液加热至65℃。沉积前ITO衬底先用丙酮超声两次，然后再用无水乙醇和去离子水清...

摘要：本文开发了一个新的综合实验，采用恒电流法制备了zno薄膜，利用X射线衍射分析了ZnO薄膜的晶粒尺寸等结构特征，紫外―可见光区的透过率分析ZnO薄膜的光学带隙，研究了Zn（NO3）2反应物浓度对ZnO薄膜的影响，探讨了将其用于学生实验的可行性。

关键词：ZnO薄膜;恒电流法;X射线衍射;光学带隙

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）43-0250-02

一、引言

ZnO薄膜的制备方法较多，有溅射法、电化学沉积法、化学气相沉积法、喷雾热分解法和溶胶-凝胶法等。其中电化学沉积技术具有反应温度低、薄膜厚度和形貌可控、沉积速率高、设备廉价、环境友好等优点，因此本文采取恒电流法制备ZnO薄膜。

二、实验

实验采用三电极恒电流方式，ITO为工作电极，Pt为辅助电极，甘汞电极为参比电极。电解液为去离子水配置的Zn（NO3）2溶液，加入KNO3来调节电解液pH调成5.0±0.1，利用恒温水浴对电解液加热至65℃。沉积前ITO衬底先用丙酮超声两次，然后再用无水乙醇和去离子水清洗干净。

总的反应方程式如下：

Zn2++NO3-+2e―ZnO+NO2- （1）

ZnO薄膜样品在500℃空气气氛的管式石英炉中退火1h。待样品冷却后，用去离子水进行清洗之后，对ZnO薄膜样品进行烘干。采用X-射线衍射仪（D8 FOCUS）对所得薄膜进行相分析，采用紫外―可见光分光光度计测量薄膜的透射光谱。

三、结果与讨论

（一）Zn2+浓度对薄膜结构的影响

在沉积电流密度为0.7875mA・cm-2，溶液PH值为5，沉积温度为65℃，沉积时间为15min，Zn（NO3）2浓度分别为0.06mol/L，0.08mol/L和0.12mol/L时，得到ZnO薄膜的XRD谱。从图1可以看出通过与PDF卡片79-0208的ZnO的XRD标准谱比较，XRD图谱分别在31.4、36.1、47.2和56.2处出现明显的衍射峰，分别对应ZnO的（100）、（101）、（102）和（110）晶面，其余衍射峰为衬底ITO玻璃的峰，说明除ZnO外没有其他物相生成。

薄膜在不同硝酸锌浓度下呈现不同的结晶特征。由于Zn2+在不仅仅是反应物，还具有自催化作用，所以当Zn2+浓度较小时，阴极反应较慢，进而导致ZnO生成速率也较慢，衍射峰强度小。随着Zn2+浓度的增加，电解液的导电能力提高，结晶提高，衍射峰强度增加。然而Zn2+浓度过大时，阴极极化作用降低，晶核形成速度降低，衍射峰强度下降。

（二）Zn2+浓度对薄膜透光性能的影响

图2为在沉积电流密度为0.7875mA・cm-2，溶液PH值为5，沉积温度为60℃，沉积时间为15min，Zn（NO3）2浓度分别为0.06mol/L、0.08mol/L和0.12mol/L时，得到ZnO薄膜的透射谱，可见在本实验条件下所获得的ZnO薄膜在可见光区的光学透过率高于70%。在Zn（NO3）2浓度为0.08mol/L条件下沉积出的ZnO薄膜的透光性要高于其他浓度。Yamamoto等人[6]曾指出，ZnO薄膜的透光性与其表面的粗糙度和缺陷等密切相关。结合XRD结果，0.08mol/L条件下沉积出的ZnO薄膜的衍射峰强最高，结晶质量最好，故其透过性最好。

（三）ZnO薄膜的粒径分析

通过XRD结果可获得样品的晶体结构和晶粒大小等方面的信息，可以由数据处理软件得到衍射峰位置、半高宽等数据，根据Scherrer公式可以计算出样品的晶粒尺寸[7]：

D=0.9λ/Bcosθ（2）

其中λ为入射X射线的波长，B为最大衍射峰的半高宽（单位：rad），θ为相应的衍射角。可以得出Zn（NO3）2浓度为0.08mol/L条件下沉积出的ZnO薄膜的晶粒尺寸小于其他浓度条件。这与X射线衍射结果和透光率结果一致。

（四）ZnO薄膜的禁带宽度计算

根据半导体的能带理论，直接带隙半导体材料的吸收系数与光学带隙满足Tauc公式[8]：

αhν=A（hν-Eg）1/2 （3）

式中：α为吸收系数;hν为光子能量;A为常数;Eg为带隙宽度。

四、结论与建议

本文采用恒电流法沉积ZnO薄膜，XRD与紫外可见分光光度计结果分析表明所得ZnO薄膜粒径为20～40nm，光学带隙在3.3～3.4ev之间。讨论了Zn2+浓度对ZnO薄膜的结构与性能的影响，Zn（NO3）2浓度为0.08mol/L条件下沉积出的ZnO薄膜的结晶性好，平均透光率最高。

本实验综合了电化学方法合成、XRD分析和性能检测，简便可行，实验可以分组进行，每组3人，每人负责一个样品的制备和分析，实验结束后每组进行总结讨论，写出完整的实验报告。且实验中电流密度、电极电位、温度、溶液组成、pH值、反应时间等参数均可为变量，学生自由发挥的空间较大。通过本实验了解薄膜制备和分析的一般过程，掌握XRD和紫外可见分光光度计用于薄膜材料分析的一般方法，掌握实验数据的基本处理方法，同时培养学生的团结协作能力。

参考文献：

[1]M.Bouderbala，S.Hamzaoui，B.Amrani，et al.Thickness dependence of structural，electrical and optical behaviour of undoped ZnO thin films[J]. Physica B，2008，403：3326-3330.

[2]蒋平，吴雪梅，诸葛兰剑，等.ZnO：Al薄膜制备及光电性能研究[J].功能材料，2009，40（4）：560-563.