用于紫外光探测器的NiO基薄膜制备和性质研究

NiO薄膜是一种宽禁带（室温下禁带宽度为3.6-4.0eV）、透明的、氧化物半导体光电子材料。通过掺入合适的元素后，可以使NiO薄膜的带隙向更大方向调节，满足制备高灵敏的"太阳盲"紫外光探测器的需要。本世纪初，国外已经开始了NiO薄膜制备和性质的初步研究工作。但是，一方面对材料制备和物性研究还不深入；另一方面还未能对NiO中掺入杂质后引起的薄膜的结构、光学特性，尤其是能带变化规律进行研究。本项目首先制备NiO紫外光电子薄膜，并对薄膜的光学、结构、生长机理、缺陷行为等进行深入研究。在此基础上，通过在NiO薄膜中进行有效的掺杂，以使得掺入杂质后NiO合金薄膜的带隙向更大方向延伸，使其正好位于"太阳盲"紫外波段，并重点研究掺入该杂质后NiO合金薄膜的结构、光学特性，尤其是该元素对NiO合金薄膜的能带调节作用。为实现NiO基紫外光探测器件，尤其是"太阳盲"紫外光探测器提供理论和技术支撑。

NiO薄膜作为一种新型的宽带隙（室温Eg=3.6-4.0ev）氧化物半导体薄膜材料，在紫外光探测等领域具有重要应用。本项目紧紧围绕项目预定研究内容和预期目标开展了一系列理论和实验研究工作。采用溶胶-凝胶方法和磁控溅射等方法在石英衬底上制备了NiO薄膜，通过调整工艺参数不断提高NiO薄膜的质量，并采用x射线衍射、紫外-可见吸收光谱等现代化测试方法对不同条件制备的NiO薄膜的结构和光学等特性进行了研究。最终得到了（111）择优取向，光学吸收边低于380nm，可见光透过率高于60%的NiO薄膜，并发现工艺参数对不同价态Ni的氧化物相互转化及薄膜的性质起到关键作用，其中尤其以氧分压影响最为显著。为了能使NiO薄膜禁带宽度向“太阳盲”方向延伸以满足制备“太阳盲”光探测器的需求，本项目接下来着重对NiO薄膜掺杂技术进行了深入的理论和实验研究。通过理论上分析不同氧化物的禁带宽度、晶格常数、晶格结构、原子和离子半径等性质，成功确定将Mg元素作为掺杂元素。并深入研究了不同Mg掺杂浓度时NiO薄膜的结构、光学、尤其是能带工程问题。发现Mg元素掺入NiO薄膜后，可以形成无限固溶体，并未出现“分相”等现象，合金薄膜仍保留（111）择优取向。虽然薄膜质量稍稍变差，但是光学透过率明显提高，更重要的是合金薄膜带隙随着Mg含量的增加不断向“太阳盲”方向延伸，当Mg掺入量达到20%时，合金薄膜禁带宽度就基本达到“太阳盲”波段。从而为实现NiO基薄和相应的“太阳盲”紫外光探测器件制备奠定了理论和技术基础。达到了本项目预期研究目标。依托本项目发表学术论文6篇，均标注国家自然科学基金资助号（11004016）。授权发明专利1项，培养研究生11名。