徐井华， 刘成有

(1.通化师范学院 物理系，吉林 通化 134002；2.吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000)

1 引言

ZnO是一种具有六角纤锌矿结构的宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度约为3.37ev，激子束缚能高达60mev，具有优异的光电性能.在ZnO中掺杂不同的金属原子或离子，能够改变ZnO的结构和带隙宽度，使掺杂ZnO具有不同于本征ZnO的新特性.稀土掺杂ZnO是近年来研究的热点[1，2，3]，但利用凝胶溶胶[4]法进行稀土掺杂的还不是很多，本实验采用凝胶溶胶法在Si片(P型100方向)和普通载玻片上生长了不同浓度的La掺杂纳米ZnO薄膜，研究了不同浓度La掺杂对ZnO薄膜的结构、紫外透射、表面形貌、室温光致发光等的影响.

2 实验

根据摩尔比用电子天平称量(CH3COO)2Zn·2H2O和La(NO3)3·6H2O溶于乙二醇中，再加入与金属离子等摩尔的单乙醇胺，置于反应釜中于60℃条件下搅拌1h，形成无色透明均质溶胶，陈化72h后均匀涂膜，然后将样品分别置于箱式电阻炉中退火，普通玻璃衬底和Si衬底退火温度分别为550℃、900℃，退火时间1h，随炉冷却至室温，得到掺杂浓度为1%，2%，3%的La掺杂ZnO薄膜.

3 结果与讨论

3.1 掺杂浓度对样品结构的影响

图1是不同掺杂浓度样品900℃下退火的XRD图谱，由XRD图谱可以看到，La掺杂ZnO薄膜没有明显的择优取向，仍为多晶的六角纤锌矿结构，这与文军[5]制备的La、Nd稀土掺杂的ZnO薄膜不同，可能与不同的制备方法和实验条件有关.从图谱中还可以看到随着掺杂浓度的提高XRD图谱中各衍射峰明显向大角方向移动，说明La掺杂ZnO薄膜的C轴变短[5].

图1 不同掺杂浓度样品900℃下退火XRD图谱

3.2 掺杂浓度对样品带隙宽度的影响

(a)波长和透射率关系图

(b)能量和透射率关系图

图2是以载玻片为衬底的各掺杂浓度样品550℃下退火的室温透射光谱.从图2(a)中可以看到，在波长为380nm的紫外波段附近透射率急剧下降，存在明显的紫外吸收边，且随着掺杂浓度的提高透射边出现明显的蓝移，这表明稀土La的掺杂使ZnO带隙宽度增大.图2(b)给出了La掺杂ZnO薄膜的具体带隙宽度值，1%样品带隙宽度为3.32eV，2%的为3.36eV，3%的为3.40eV，可见La掺杂ZnO薄膜较好的调节了ZnO薄膜的带隙宽度.

3.3 掺杂浓度对样品表面的影响

图a AFM形貌平面图

图b AFM形貌立体图

图3是不同掺杂浓度样品900℃下退火AFM形貌平面图和立体图，扫描范围为2000nm.如图所示，不同浓度La掺杂ZnO薄膜样品表面均呈现为颗粒状，且颗粒生长比较均匀，这与选用Si衬底和较高的退火温度有很大的关系.

3.4 掺杂浓度对样品发光特性的影响

图4是La掺杂ZnO薄膜900℃下退火的光致发光光谱.从图中可以看出不同浓度的La掺杂ZnO薄膜都具有较好的发光特性，且随着掺杂浓度的提高，紫外发光峰向短波方向移动，这与透射光谱观察到的现象相吻合.

图4 不同掺杂浓度样品900℃下光致发光光谱

4 结论

用凝胶溶胶法制备了不同浓度的La掺杂ZnO薄膜，通过XRD、UVS、AFM、PL图谱分析表明：不同浓度的La掺杂ZnO薄膜具有六角纤锌矿结构，薄膜表面比较平整，颗粒均匀，紫外发光峰随着掺杂浓度的提高明显增强并向短波方向移动.

参考文献：

[1]J.T.Chen，J.Wang，F.Zhang，et al.The effect of La doping concentration on the properties of zinc oxide films prepared by the sol-gel method[J].Journal of Crystal Growth，2008，310(10):2627-2632.

[2]I.Stambolova，K.Konstantinov，S.Vassilev，P.Peshev，et al.Lanthanum doped SnO2and ZnO thin films sensitive to ethanol and humidity [J].Materials Chemistry and Physics，2000(63)：104-108.

[3]T.M.Williams，D.Hunter，A.K.Pradhan.Photoinduced piezo-optical effect in Er doped ZnO films[J].Applied physics letters， 2006(89)：043116-1-043116-3.

[4]Keh-moh Lin， Paijay Tsai.Growth mechanism and characterization of ZnO: Al multi-layered thin films by sol-gel technique[J].Thin Solid Films，2007 (515) :8601-8604.

[5]秦云.用溶胶凝胶法制备ZnO薄膜及其发光特性的研究[D].西北大学，2005.

[6]文军.钕 镧掺杂ZnO薄膜的制备及形貌[J].河北师范大学学报(自然科学版)，2009，33(5):616-619.