1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1 目的

（1）了解Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜材料的应用、发展及前景；了解其主要制备方法。

（2）掌握采用溶胶凝胶法及旋涂工艺在基板上制备Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜材料并探索合适的制备工艺。

（3）系统地研究热处理温度、热处理时间以及离子掺杂量等条件对薄膜组成、晶体结构、紫外-可见光谱及其光学带隙、PL谱的影响。利用XRD、SEM、AFM、UV-Vis、PL等测试手段对所制备的Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜材料进行表征，获得其对性能的影响规律。

1.2 意义

氧化锌是一种直接宽带隙n型半导体材料，属于六角纤锌矿晶体结构，室温下禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能为60 meV，所以ZnO在室温下能产生激光发射行为，具有较好的光电学特性。

Mg掺杂ZnO制备Zn_1-xMg_xO材料可以增大其带隙值，从而会得到不同波长的紫外发射和吸收峰。在ZnO中掺入Mg离子可以制备出ZnMgO合金半导体。相对于ZnO，加入Mg离子，可以拓宽ZnO的禁带宽度，使导带边向上移动，从而增加施主的电离能，削弱浅施主态对受主的补偿作用，因此ZnMgO薄膜具有更优异的光学与电学性能。

但是，p型转变都是通过向ZnMgO中掺杂I族V族元素来实现的。从离化能的角度分析，I族元素例如Li，Na要优于V族元素例如N，Sb，并且I族元素替代Zn或Mg作为受主，有着较浅的受主能级，粒子半径更小，掺杂更加容易。另外，在I族元素中，Li原子置换Zn或Mg原子形成的受主，在杂质原子周围基本不会形成明显的晶格形变，所以I族元素尤其是Li元素作为制备P型Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li）薄膜材料的候选元素更加有前景.

常见的薄膜制备方法有分子束外延，磁控溅射，金属有机化学气相沉积，脉冲激光沉积，溶胶凝胶法，液相法等。

本实验采用溶胶凝胶法（Sol-gel）制备Zn_1-x Mg_x O：Y（Y=Li、Na）薄膜，Sol-gel法具有以下几个优点:无需真空设备，工艺操作相对简单，尤其是可在无规则、大面积衬底上制备薄膜，有利于实现批量生产、降低成本，易于实现均匀掺杂，精确控制和调节各组分的化学计量比。制得的材料纯度高，均匀性好，设备简单。

目前的研究现状：2007年，浙江大学叶志镇教授课题组发现薄膜电阻率，光学带隙和受主结合能随Mg含量增加而增加，Li掺杂使得ZnMgO薄膜实现P型转变。同时通过PLD制备了Li掺杂P型ZnMgO薄膜并发现所有薄膜都具有高度c轴取向特性，主发射峰3.52eV。2014年，叶志镇教授课题组分别在c-轴蓝宝石和r-轴蓝宝石上通过PLD制备c-轴极性和a-轴非极性ZnMgO膜。霍尔效应测量显示非极性ZnMgO：Na薄膜具p型导电性，而极性ZnMgO：Na薄膜显示自补偿导电性。同时发现非极性ZnMgO薄膜具有比极性ZnMgO薄膜更小的ZnO的ΔE_V。认为非极性ZnMgO薄膜中p型导电性的成因，是由于VBM的向上偏移导致受主能级浅化。

本实验利用溶胶凝胶法制备不同金属离子（Li /Mg ² /N a ）掺量的Zn_1-x Mg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜，利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）、X射线衍射(XRD)和光致发光(PL)等测试方法研究薄膜的光学性能、晶体结构等。同时研究薄膜厚度、热处理制度等工艺对薄膜制备及性能的影响。

2.1基本内容

采用溶胶凝胶法及旋涂工艺在基板上制备Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜材料并探索合适的制备工艺。 系统地研究热处理温度、热处理时间以及离子掺杂量等条件对薄膜组成、晶体结构、紫外-可见光谱及其光学带隙、PL谱的影响。利用XRD、UV-Vis、PL等测试手段对所制备的Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜材料进行表征，获得其对性能的影响规律。

2.2技术方案

2.2.1 Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）的制备

技术方案如下：

首先研究不同薄膜厚度：5、10、15、20（层）对Zn_0.89Mg_0.06O：Li_0.1 薄膜性能的影响。然后研究不同退火温度：400、500、600、700、800（℃）对Zn_0.89Mg_0.06O：Li_0.1 薄膜性能的影响。最后研究不同Mg ² 掺量：X=0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1对Zn_1-xMg_xO：Li薄膜性能的影响和不同Li 掺量：Z=0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1对Zn_0.94-z/2Mg_0.06 O：Li_z 薄膜性能的影响。具体实验操作如下：

（1）清洗衬底:

将石英玻璃片浸入丙酮溶液中，然后用超声清洗机超声15min，再将衬底浸入无水乙醇中超声清洗15min，再将衬底浸入去离子水同样超声15min，最后自然晾干。

（2）溶胶的配置:

实验选择原料二水合乙酸锌Zn(CH3COO)2·2H2O，四水合乙酸镁Mg(CH3COO)2·4H2O，乙二醇甲醚作为溶剂，二乙醇胺作为稳定剂。将一定量的二水合乙酸锌和四水合乙酸镁溶解于乙二醇甲醚中，再加入等摩尔的乙醇胺，磁力搅拌器搅拌，直至成为透明稳定的溶胶。

（3）旋涂法镀膜：

首先将甩胶机用无水乙醇清洗干净，将处理后的衬底尽量放到甩胶机的台子上，打开吸片键将衬底固定好，用滴管吸取少量溶胶滴在衬底中心位置，然后打开甩胶机，先500rpm速率下旋转6s，再2000rpm速率下旋转30s，且旋转过程伴有颜色变化。根据所需薄膜厚度重复涂膜次数。

（4）预处理（烤胶）:

旋涂后的湿膜先放置在加热板上进行前期热处理干燥。每在衬底上镀上一层膜后进行一次前期热处理，先在150℃下烤胶5min，再在300℃烤胶大约10min，以薄膜的颜色不再变化为准。

（5）高温热处理：

简单前期热处理后的样品放到热处理炉中进行热处理，温度设置在400℃，保温时间是1h。为了研究高温热处理工艺对薄膜制备的影响，分别将同样的湿膜在统一温度下采用随炉退火、快速退火及层层退火三种方式进行后期热处理。

2.2.2 Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜的表征：

利用XRD、SEM、XPS、AFM、UV-Vis、PL等测试手段对所制备的 Zn_1-xMg_x O：Y（Y=Li、Na）薄膜材料进行表征。

2.2.3实验结果分析:

（1）薄膜厚度对对Zn_0.89Mg_0.06O：Li_0.1 薄膜性能的影响。

（2）热处理温度工艺对薄膜晶体结构、光电性能等的影响。

（3）不同金属离子（Li /Mg ² /Na ）掺量对Zn_1-xMg_xO：Y（Y=Li、Na）薄膜性能的影响。