ZnO 是一種新型的II-VI 族半導(dǎo)體材料，廣泛地應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、紫外探測(cè)器、LED 等諸多領(lǐng)域。本文采用射頻濺射的方法在ITO 導(dǎo)電玻璃上制備ZnO 籽晶層，再用水熱法進(jìn)行第二步的ZnO 納米棒的生長(zhǎng)，對(duì)其表面形態(tài)、生長(zhǎng)取向以及透過(guò)率和吸收率進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，納米棒具有（002）取向的六角柱結(jié)構(gòu)，透過(guò)率較好，為進(jìn)一步在器件應(yīng)用上的研究提供了良好的參考。

　　ZnO 是一種新型的II-VI 族半導(dǎo)體材料，其直接帶隙寬禁帶為3.36 eV，室溫下的激子束能為60 meV。ZnO 薄膜在晶格、光電、壓電、氣敏、壓敏等許多方面具有優(yōu)異的性能，熱穩(wěn)定性高，在表面聲波器件、太陽(yáng)能電池、氣敏和壓敏器件等很多方面得到了較為廣泛的應(yīng)用，在紫外探測(cè)器、LED、LD 等諸多領(lǐng)域也有著巨大的開(kāi)發(fā)潛力。

　　納米ZnO 薄膜的制備方法包括：溶膠-凝膠法、電沉積法、化學(xué)氣相沉積法、水熱法等，其中水熱法具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而兩步法不僅具有以上的優(yōu)點(diǎn)，并且高度垂直于襯底，具有良好的應(yīng)用前景。生長(zhǎng)籽晶層的方法主要是溶膠-凝膠法，2005 年，MinGuo 等運(yùn)用溶膠-凝膠法生長(zhǎng)籽晶層的兩步水熱法制作出的染料敏化納米ZnO 太陽(yáng)能電池的效率為2.4%，但溶膠-凝膠法制備工藝比較復(fù)雜，且重復(fù)性差。如果采用磁控濺射法制備籽晶層，其工藝簡(jiǎn)單、制備成本低、重復(fù)性高，并且顆粒均勻。

　　本文將采用磁控濺射法制備籽晶層，再用水熱法進(jìn)行第二次ZnO 的生長(zhǎng)，并對(duì)制成的納米ZnO 薄膜進(jìn)行性能檢測(cè)。

1. 實(shí)驗(yàn)

　　兩步法制備納米ZnO 薄膜。用射頻濺射(RF sputtering)制備ZnO 籽晶層，采用的是中科院微電子中心生產(chǎn)的SG-III 型13.6MHZ,3kw 的射頻濺射儀，ITO 導(dǎo)電玻璃作為襯底，襯底的濺射溫度為室溫，濺射的靶材是上海光機(jī)所晶體材料中心生產(chǎn)的，直徑為90mm，厚度為6mm，純度為99.99%的ZnO 靶。濺射過(guò)程中通99.99%的Ar 作為反應(yīng)氣體，本底真空為3×10^-5Pa ， 工作壓強(qiáng)為2.4 × 10^-2Pa, 濺射功率為300W 。配置0.05mol/L 醋酸鋅(Zn(CH3COO)2.2H2O)溶液，然后用氨水將溶液的pH 值調(diào)至10，將帶有ZnO 籽層的ITO 玻璃垂直放入溶液中，在90℃下恒溫水浴4個(gè)小時(shí)。取出后用去離子水清洗并烘干。

　　采用掃描電子顯微鏡(SEM)表征納米ZnO 薄膜的形貌，用X 射線衍射儀(XRD)表征ZnO的生長(zhǎng)擇優(yōu)取向，用日本島津 UV3600 型分光光度計(jì)進(jìn)行透射光譜和吸收光譜的測(cè)試。

2. 結(jié)果與討論

　　采用兩步法制得的ZnO 薄膜的SEM 圖像如圖1 的(a)和(b)所示，顆粒均勻，平均粒徑為140nm。而只采用水熱法制備出的ZnO 薄膜，從圖1(c)中可以看出其生長(zhǎng)取向隨機(jī)，用兩步法值得的納米棒基本都垂直于襯底向上生長(zhǎng)，取向保持其高度的統(tǒng)一性。ZnO 納米棒的生長(zhǎng)取向取決于生長(zhǎng)初期，只采用水熱法，其生長(zhǎng)初期的取向是隨機(jī)的，所以導(dǎo)致最終的取向也是隨機(jī)的，但是采用射頻濺射生長(zhǎng)籽晶層后，生長(zhǎng)出的ZnO 納米棒基本為垂直于襯底，這說(shuō)明籽晶層可以幫助ZnO 納米棒定向垂直于襯底生長(zhǎng)。

　　圖2為兩步法生長(zhǎng)出ZnO 薄膜的XRD 圖譜，可以看出(002)面的衍射峰最強(qiáng)，說(shuō)明ZnO納米棒具有c 軸擇優(yōu)取向性質(zhì)，空間取向一致，這與SEM 得到的結(jié)果一致。除此之外，還出現(xiàn)了(100)，(101)，(102)和(110)等晶面的衍射峰，表明納米棒的取向還是具有一定的隨機(jī)性，這與納米棒的具體生長(zhǎng)條件有關(guān)。通過(guò)控制生長(zhǎng)條件，有望可以改善納米棒的取向性。

　　從圖3(a)和(b)可以看出采用兩步法制備出的ZnO 納米棒薄膜在波長(zhǎng)為200～400nm 時(shí)透過(guò)率為零，吸收率為百分之百；而隨著波長(zhǎng)的增加，ZnO納米棒薄膜的吸收率迅速下降，透過(guò)率則快速上升。主要原因是ZnO 的禁帶寬度為3.36eV，對(duì)于波長(zhǎng)在380nm 以下的高能量光子幾乎全部吸收，而對(duì)于低能量的長(zhǎng)波光子則不吸收。

圖1 ZnO 薄膜的SEM 圖
(a)和(b)為采用兩步法生長(zhǎng)的ZnO 薄膜不同放大倍數(shù)下的SEM 圖；(c)只采用水熱法生長(zhǎng)出的ZnO 薄膜的SEM 圖；(d) ZnO 納米棒的局部放大圖

圖2 兩步法生長(zhǎng)的ZnO 薄膜的XRD

圖3 兩步法生長(zhǎng)的ZnO 薄膜的透射圖譜(a)，吸收譜圖(b)

3. 結(jié)論

　　兩步法生長(zhǎng)ZnO 納米棒具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)SEM、XRD 進(jìn)行表征分析，采用兩步法生長(zhǎng)出的ZnO 納米棒具有c 軸擇優(yōu)取向性質(zhì)，空間取向一致且垂直于襯底的優(yōu)勢(shì)，對(duì)納米器件的研究提供了良好的參考。