可见盲波段MgZnO薄膜的制备与结构表征

在以往的研究中，得到保持ZnO的六角纤锌矿结构不变且Mg组分尽量大的纤锌矿MgZnO合金是人们追求的目标之一。这有利于MgZnO合金带隙的进一步增加，但是由于所使用的生长方法不同，采用的生长条件的千差万别导致了人们得到的样品的结晶性与掺杂极限有很大的差别^[34-38]。在合金材料生长的过程中，II、VI族元素的化学剂量比不仅对样品的晶体质量有重要影响，而且对于相结构的形成也起着重要的作用。由于Zn比Mg的蒸气压要高，因而所制备的样品中Mg的含量往往高于靶材中Mg的含量。

MgZnO薄膜的制备所用设备是射频磁控溅射设备，我们采用传统的单一陶瓷靶溅射。选用高纯度（99.999%）ZnO和MgO粉末，按照一定的比例进行均匀混合，在130 MPa液压机的模具中进行压实，之后在空气中进行灼烧10h，得到MgZnO高纯合金陶瓷靶。靶与衬底的距离为7.5 cm，用分子泵把生长室背底真空抽到3×10−⁴ Pa。以高纯度的氩气和氧气为溅射反应气体，实验过程中的氩气和氧气的流量通过气体流量计控制。气体流量比为Ar:O₂=70:10 sccm。利用电阻丝加热装置获得所需的衬底温度；溅射功率控制在100 W；生长过程中生长室的压强维持为1 Pa。实验中，衬底采用石英，通过标准的处理工艺清洗，清洗过程如下：

1）丙酮超声清洗5 min。

2）乙醇超声清洗5 min，然后去离子水反复冲洗，用高纯度干燥N₂吹干。

经过化学清洗的衬底，由氮气吹干后，放入生长室进行生长。

我们生长了一系列Mg组分为0.0≤x≤0.60的MgZnO合金样品，x值分别为0、0.20、0.30、0.40、0.45、0.55、0.60，随Mg组分的增加分别被标记为样品A、B、C、D、E、F和G，如图2−11所示。图2−11给出的这些MgZnO合金薄膜的X射线衍射谱，在样品A（ZnO）中，只在2θ为34.4°的位置观察到ZnO的（002）衍射峰。随着Mg浓度增加，该衍射峰向大角度方向移动，表明Mg逐渐进入ZnO晶格取代了Zn格位。当x=0.40时，样品（D）为单一六方相MgZnO合金。当x增加到0.45时（E），在样品衍射谱出现了一个新的衍射峰，这与立方相MgO（111）衍射峰的位置36.9°非常接近，随着当Mg组分增加至60%时，完全转换为立方相。(www.xing528.com)

图2−12为不同Mg组分的MgZnO合金薄膜的可见到的紫外光波段吸收谱。从图中可以看到，除了波段从300 nm到240 nm外，我们实现了薄膜光学带隙的连续可调，并且均为单一的陡峭的吸收边，而且吸收系数均大于4，这对于提高光生载流子的数目，以及在短波处依然具有较高的量子效率提供了保障。

图2-11 不同Mg组分（x=0、0.20、0.30、0.40、0.45、0.55、0.60，按顺序标为A、B、C、D、E、F、G）的MgZnO薄膜的X射线衍射谱

图2-12 不同Mg组分的MgZnO薄膜的吸收谱