硫化锌薄膜的硫化法制备及其微观结构的正电子湮没谱学研究

ZnS has been widely used in optoelectronic device application including optical switching device, photo catalysts and optical sensors because of its high refractive index, high dielectric constant and outstanding optical properties. The performance of ZnS film is closely related to the preparation method, and its preparation process needs to be further optimized. The influence of internal defects and doping on the luminescence process of ZnS thin films is controversial. The relationship between microstructure and optical properties of ZnS film is expecting for further investigation. A new method of evaporating high purity S element instead of H2S gas was employed for preparing ZnS and ZnS:Cu films in this project. The effects of preparation conditions on the microstructure and photoelectric properties of ZnS and ZnS:Cu thin films were systematically studied, and the micro-growth mechanism of the films was improved. Positron annihilation spectroscopy was employed to characterize the micro-defects in ZnS and ZnS:Cu thin films. The effect of micro-defects on the optical properties of ZnS was studied from the micro-mechanism. The application of positron annihilation spectroscopy, especially slow positron beam technology in the micro-defect characterization of thin film semiconductor materials was expanded.

ZnS是一种直接宽带隙（3.5-3.7eV）半导体，具有高折射率、高介电常数、优良的荧光效应及光致发光性能等优点，被广泛的应用到光电转化器件、光催化和光学传感器等。ZnS薄膜 性能的好坏与制备方法有着密切联系，其制备工艺需要进一步优化； 对ZnS薄膜内部缺陷、掺杂对发光过程的影响存在争议，因此ZnS薄膜的微观结构和光学特性之间的关系有待进一步的深入研究。本项目拟开展采用蒸发高纯S单质代替H2S气体的新概念和新方法制备ZnS、ZnS:Cu薄膜，系统研究制备工艺条件对生成ZnS、ZnS:Cu薄膜的微观结构和光电性能影响，完善薄膜的微观生长机理；通过正电子湮没技术对制备的薄膜材料微观缺陷的敏感性，从微观机理出发研究薄膜内微观缺陷对ZnS光电性能的影响，拓展正电子湮没谱学，特别是慢正电子束流技术在半导体薄膜材料微观缺陷表征方面的应用。

本项目在不同衬底上通过磁控溅射法利用高纯度Zn靶和Zn:Cu的复合靶成功制备Zn和Zn:Cu薄膜，并且通过调整和优化溅射工艺参数，如溅射气压，溅射功率，溅射时间等制备出结构致密，内应力小，均匀性高的Zn和Zn:Cu薄膜。将S单质和Zn和Zn:Cu薄膜真空封装于石英管中加热，在一定的温度下发生反应生成ZnS和ZnS:Cu薄膜材料。通过控制硫化过程中的工艺参数如硫化温度、硫化时间和摩尔比等来制备不同的ZnS和ZnS:Cu薄膜材料。针对在不同条件下制备的ZnS和ZnS:Cu薄膜利用XRD、SEM、AFM等表征薄膜的微观结构、表面形貌；利用Raman光谱表征薄膜中化学键的的振动形式；并结合正电子湮没谱学技术表征薄膜内部的缺陷信息。.结果表明：（1）在440℃的温度下对Zn金属薄膜硫化6h可得到禁带宽度(3.49eV)、高致密性、透过率较高(~80%)的ZnS薄膜，完善了硫化过程的生长机理及工艺的优化；（2）在500℃的温度下制备了不同铜含量的ZnS:Cu薄膜，通过控制溅射靶材中Cu和Zn的面积来相对精确的控制薄膜中Cu的含量，实现了对ZnS:Cu薄膜发光特性的调控；（3）利用正电子湮没谱学对材料微观缺陷的敏感性，从微观机理上揭示了硫化法的薄膜生长机理以及薄膜中缺陷与薄膜性能之间的关系，拓展了慢正电子束流技术在半导体薄膜材料中的表征应用。.本项目的科学意义:（1）本项目在硫化法制备ZnS和ZnS:Cu薄膜过程中，采用无毒的高纯S单质替代有毒的H2S气体，且能通过S含量来控制薄膜中的元素摩尔比；（2）正电子湮没技术是一种研究半导体微观缺陷的有力表征手段，其物理原理是基于正电子与材料中缺陷的相互作用或者缺陷捕获正电子机制。基于慢正电子束流技术，正电子湮没谱学能测量ZnS和ZnS:Cu薄膜内微观缺陷随薄膜深度变化的信息，并利用正电子对缺陷高敏感特性，可以有效研究ZnS和ZnS:Cu薄膜的生长过程中其微观缺陷的变化。