以Er3+/Yb3+摻雜的ZnO燒結(jié)陶瓷為靶材，利用射頻磁控濺射技術(shù)在石英玻璃上制備了高度c軸取向的納米Er3+/Yb3+摻雜的ZnO薄膜，利用X射線衍射、棱鏡耦合、盧瑟福背散射等技術(shù)研究了所沉積薄膜的結(jié)構(gòu)和光波導(dǎo)特性，結(jié)果表明:薄膜中均出現(xiàn)(002)衍射峰，且隨著溫度的增加，衍射峰半高寬減小，強(qiáng)度增大，(100)晶面逐漸消失。600℃時(shí)出現(xiàn)(004)晶面，薄膜的模有效折射率接近ZnO晶體的折射率。

　　ZnO是Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為3.3eV，激子束縛能為60MeV，具有六方晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=0.325nm，c=0.52nm。氧化鋅薄膜具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可以用來(lái)制作半導(dǎo)體壓電器件、表面聲波器件、太陽(yáng)能電池、聲光器件與氣敏器件等。到目前為止，已應(yīng)用多種技術(shù)成功的制備出了ZnO薄膜。在眾多制備方法中，磁控濺射法由于其高速、低溫、低損傷，成膜均勻、致密，純度高、附著力強(qiáng)，應(yīng)用靶材廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用來(lái)制備ZnO薄膜。摻雜的ZnO薄膜具有良好的光電特性，可廣泛應(yīng)用于制造柔性發(fā)光器件、透明電磁屏蔽、LED等。由于其具有較高的透光率和較大的禁帶寬度，也可用于一些低損耗的光波導(dǎo)器件中。目前，作為透明導(dǎo)電膜的各種摻雜的ZnO薄膜已經(jīng)被大量研究并應(yīng)用于電荷耦合成像器件及其他領(lǐng)域。本文是采用磁控濺射技術(shù)制備高度c軸擇優(yōu)取向的Er3+/Yb3+的摻雜ZnO波導(dǎo)薄膜，研究了不同的襯底溫度對(duì)Er3+/Yb3+摻雜ZnO薄膜特性的影響，為以后研究波導(dǎo)中的稀土離子發(fā)光做基礎(chǔ)。

　　1、實(shí)驗(yàn)方法

　　采用FJL560型超高真空多功能磁控與離子束聯(lián)合濺射鍍膜設(shè)備，在石英玻璃基底上沉積Er3+/Yb3+共摻ZnO薄膜。在沉膜之前，首先對(duì)基底進(jìn)行擦洗，然后用KC-250W超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗，清洗液分別為去離子水+酸堿清洗劑，去離子水和無(wú)水乙醇，用來(lái)除去表面灰塵。靶材為直徑76mm厚度6mm的鉺鐿摻雜氧化鋅燒結(jié)陶瓷，其中鉺、鐿和氧化鋅的摻雜比例為1：4：95，本底真空1.3×10-4Pa，工作氣體采用純度為99.999%的O2和Ar，氧氣與氬氣的流量比是16ml/min：2ml/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，起弧氣壓1Pa，工作壓強(qiáng)0.7Pa，沉膜時(shí)間7h，濺射功率120W、反射功率2W，基底溫度分別是25，200，400，600℃，襯底托盤(pán)的轉(zhuǎn)速20r/min。采用日本RigakuD/MAX-RA型X射線衍射(XRD)儀(CuKα輻射波長(zhǎng)為0.15406nm，掃描速度4°/min)分析薄膜的結(jié)構(gòu)特性及其結(jié)晶情況。使用美國(guó)Metricon公司生產(chǎn)的Model2010型棱鏡耦合儀測(cè)量薄膜波導(dǎo)及其有效折射率。采用盧瑟福背散射(RBS)技術(shù)測(cè)量薄膜的厚度，從而給出膜的沉積速率。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1、XRD分析

　　圖1是基底溫度分別為25，200，400，600℃時(shí)沉積的Er3+/Yb3+共摻ZnO波導(dǎo)薄膜XRD譜圖。圖1表明，所有樣品中均出現(xiàn)了(002)衍射峰，樣品制備時(shí)的基底溫度越高，(002)衍射峰的強(qiáng)度越大，且峰的半高寬(FWHM)越窄，說(shuō)明樣品沉積時(shí)基底的溫度對(duì)膜的結(jié)晶狀況有較強(qiáng)的影響[15]。圖1還顯示出，當(dāng)基底溫度在25℃及200℃時(shí)，薄膜除(002)衍射峰外出現(xiàn)了(100)衍射峰，說(shuō)明晶粒可沿不同方向生長(zhǎng)，呈現(xiàn)多晶向狀態(tài)。當(dāng)基底溫度在400℃以上時(shí)，(100)衍射峰消失，并在600℃時(shí)出現(xiàn)(004)衍射峰。此結(jié)果表明，只有沉?xí)r基底溫度高于某個(gè)值時(shí)，才可沉積出具有高度c軸擇優(yōu)取向的Er3+/Yb3+共摻ZnO薄膜。這一結(jié)果和SeongJunkang等[16]在文章中指出隨著溫度的升高，薄膜的(002)衍射峰的強(qiáng)度變大，薄膜的取向性更好的結(jié)果是一致的。增加基底溫度有利于增強(qiáng)Er3+/Yb3+共摻ZnO薄膜的c軸擇優(yōu)取向，提高結(jié)晶質(zhì)量。但是溫度不能過(guò)高，否則會(huì)導(dǎo)致晶粒中氧和鋅的化學(xué)比例失調(diào)，出現(xiàn)柱狀晶。

圖1 不同襯底溫度下薄膜的XRD圖

　　結(jié)論

　　利用磁控濺射技術(shù)在多種條件下制備出Er3+/Yb3+摻雜的ZnO薄膜，通過(guò)XRD、棱鏡耦合、RBS等技術(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和光波導(dǎo)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:沉膜時(shí)的基底溫度對(duì)膜結(jié)晶特性有重要影響，當(dāng)基底溫度低于200℃時(shí)，薄膜出現(xiàn)了(002)和(100)衍射峰，當(dāng)基底溫度高于400℃時(shí)，樣品的(100)衍射峰消失，只有(002)和(004)衍射峰。表明基底溫度高于某個(gè)值時(shí)，沉積的摻雜ZnO薄膜有高度c軸擇優(yōu)取向。測(cè)量膜的有效折射率為n0=1.9871，ne=1.9646，膜的厚度為875.75nm，膜的沉積速率為123nm/h。