近年來,寬禁帶半導體發光材料引起了人們的極大興趣,因為這些材料在藍光及紫外光發光二極管、激光器和紫外光探測器等光電領域有重要的應用價值。ZnS是Ⅱ- Ⅵ族半導體中禁帶寬度最大的直接帶隙材料,有著廣泛的用途。為了探索其在短波領域更好的發展性,提高其紫外透過率和增大帶隙,人們試著在其中摻入Mg,以形成固溶體半導體。三元固溶體Zn_1-xMg_xS 具有比ZnS更大的禁帶寬度,是一種很有前途的光電子功能材料,既可以作為ZnS材料的勢壘層,也可以直接作為發光材料,因此制備Zn_1-xMg_xS薄膜,研究其性能,特別是其性能如何隨Mg含量x 的變化而改變, 有著重要的實際意義。

1 、品制備與表征

1.1、Zn12xMgxS 薄膜的制備

　　Zn_1-xMg_xS 薄膜應用雙源真空蒸鍍法制備。原料為純度99.99 %的ZnS 粉末和Mg粉末。在溫度分別為1100 ℃～1400 ℃和500 ℃～650℃下, 原料升華,沉積在石英玻璃襯底上。在制膜過程中真空室的真空度優于5.0 ×10^-3Pa 。通過調節每個蒸發源的電壓、電流來控制蒸發源的溫度、各個成分的蒸發量和蒸發速率,以控制Zn_1-xMg_xS多晶薄膜中的Mg含量x值和薄膜的厚度及均勻性。通過Ambios XP-2 型臺階儀測定,實驗中制備的薄膜樣品厚度均控制在100nm～200nm 之間。

1.2、實驗測試與薄膜表征

　　首先采用與掃描電鏡相結合的Link-ISI300 型X射線能量色散譜儀( EDS) 測定Zn_1-xMg_xS薄膜的成分;然后由12kW的D/MAX-RC型X射線衍射儀(輻射波長CuKα1為0.1540598nm) 作薄膜X射線衍射分析;最后用UV-2501PC 型紫外-可見分光光度計測量薄膜的紫外- 可見吸收光譜。

2、結果討論

2.1、成分分析

　　用X射線能量色散譜儀( EDS) 測定Zn_1-xMg_xS薄膜的成分,得到Mg相對含量x的值,圖1為一典型樣品的成分分析圖。成分中的Si來自石英玻璃中的SiO2,這臺儀器只能探測到原子序數大于11 的元素,測不到氧的成分,但是不影響其他成分的相對含量的測量。實驗所選取的樣品分別為: x = 0、0.1、0.21、0.40、0.73。

圖1 　Zn_1-xMg_xS薄膜的成分分析圖

2.2、晶格常數a與Mg含量x的關系

　　圖2 是不同Mg含量x的Zn_1-xMg_xS薄膜的X射線衍射譜圖。所有樣品的衍射譜圖中只存在一個明顯的峰,它對應的是ZnS 的(111) 晶面族的衍射峰, 而沒有出現MgS對應的峰,這表明Zn_1-xMg_xS薄膜仍然保持著ZnS 立方閃鋅礦結構,與真空技術網某文章上當0 ≤x < 0.86 時,Zn_1-xMg_xS薄膜為閃鋅礦結構的分析一致。通常真空蒸發制備的多晶薄膜擇優取向非常明顯,X射線衍射結構分析不能檢測到所有的特征峰,在薄膜較薄的情況下經常只出現一個峰。

　　根據XRD測定衍射峰的峰位值2θ,由布拉格公式和立方晶系的晶面間距公式:

　　其中d 表示晶面間距,λ為X 射線波長,h、k、l為衍射峰位(晶向) 所對應的晶面指數, a為晶格常數,可以計算出不同Mg含量x的樣品對應的晶格常數a 值,在選取的樣品中Mg含量從x=0增加到x =0.73時, 薄膜晶格常數a 值從0.5402nm減小到0.529298nm。這是由于Mg 的離子半徑小于Zn 的子半徑,逐漸增多的Mg ²⁺取代Zn ²⁺后占據Zn ²⁺ 的格點位置,引起陰陽離子間距變小,從而使得Zn_1-xMg_xS薄膜的晶格常數減小。

圖2 　Zn_1-xMg_xS薄膜的X射線衍射譜圖

　　如圖3 所示,薄膜的Mg組分x與其晶格常數a呈線性關系,符合Vegard定律。通過線性擬合,我們得到了Zn_1-xMg_xS薄膜晶格常數的Vegard 定律實驗表達式為:

a(x)=0.53965-0.01415x(nm)

　　我們實驗中所用的X 射線衍射儀分辨率2θ=0.002°,在實驗范圍內,可估算出晶格常數的相對誤差小于1.12% ,即圖3中所示的誤差項。從圖中可以看出,實驗結果具有較高的可靠性。