奈米柱狀結構氧化鋅薄膜多聲子共振拉曼散射特性分析研究

Multiphonon resonant Raman scattering of nano-column ZnO thin film

范綱倫(Kang-Lun Fan)

指導教授 ： 陳至信

中原大學/工學院/電子工程研究所/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6840/cycu201300408

摘要

本研究於室溫下利用反應性磁控濺鍍系統，在矽基板上分別以氧氣比例20%(O2/Ar=4/16 sccm)、40%(O2/Ar=8/12 sccm)、60%(O2/Ar=12/8 sccm)、80%(O2/Ar=16/4 sccm)四種氧、氬氣流量混合比例的反應性氣體鍍製出柱狀氧化鋅薄膜。進而分別探討四種薄膜經退火後改善之結構的特性，及柱狀氧化鋅薄膜在激發雷射光以不同方向(90o和45o)入射於樣品表面之變溫光激發螢光量測所呈現的光學特性分析。
上述四種氧氣比例室溫下成長得氧化鋅薄膜，都具有氧化鋅(002)的從優結晶取向。經SEM量測觀察薄膜結構，其薄膜結構為緻密柱狀結構，符合室溫成長機制下之結構。另外以三種退火方式改善薄膜品質，其中20%、40%、60%氧氣比例成長的氧化鋅薄膜退火後之柱狀結構仍存在，而80%氧氣比例成長的氧化鋅在退火過程中由柱狀結構轉變為塊材結構，但四種氧化鋅薄膜經XRD量測，氧化鋅(002)繞射峰值增強且峰值半高寬呈現變窄之趨勢。
激發雷射光垂直入射於氧化鋅薄膜樣品的變溫光激發螢光量測，20%和60%氧氣比例成長的氧化鋅薄膜激發螢光光譜都呈現非氧化鋅本質發光機制且發光強度微弱，唯有80%氧氣比例成長的氧化鋅薄膜，觀察到常態氧化鋅本質發光機制，因此針對此樣品經激發雷射光垂直入射的變溫光激發螢光結果進行分析。
激發雷射光45度入射於氧化鋅薄膜樣品的變溫光激發螢光量測，將針對60%氧氣比例成長的氧化鋅薄膜進行量測。藉由60%氧氣比例成長的氧化鋅薄膜的本質發光強度微弱特性，可觀察到入射的雷射光與氧化鋅薄膜之共振拉曼散射特性，因此針對此樣品經激發雷射光45度入射變溫光激發螢光量測結果，探討氧化鋅薄膜的共振拉曼散射特性。
最後，在20%、60%、80%氧氣比例成長氧化鋅薄膜的變溫光激發螢光光譜中，因缺陷造成的長波長波段中有明顯的干涉震盪訊號，利用此螢光干涉訊號，進行薄膜厚度與薄膜折射率的分析，並對應SEM量測的薄膜厚度與氧化鋅塊材的折射率作比較。

關鍵字

氧化鋅 ； 聲子 ； 共振拉曼

並列摘要

ZnO nano-column thin films were deposited on the Si (111) substrates by reactive RF magnetron sputtering at room temperature in four different concentrations of O2.(20%, 40%, 60%, 80%). The crystal structure after annealing and optical properties by PL measurements of different excitation angle (90o and 45o) of ZnO thin films are discussed.
The crystal structure of all samples by XRD measurements are the (002) preferred orientation. The ZnO thin films are nano-column structure by SEM measurements. But the structure of 80% ZnO thin film after annealing was changed to the bluk structure.
In PL measurements of 90o excitation angle, for 20% and 60% ZnO thin films, their luminescence emission sgnals are not intrinsic results of ZnO thin films and the emission intensity is very weak. But the luminescence emission intensity of 80% ZnO thin films is normal, so we use PL measurement system of 90o excitation angle to analyze 80% ZnO thin films.
In PL measurements of 45o excitation angle, we can find the emission results of 60% ZnO thin film with multi-phonon resonant Raman scattering (MRRS) signals, because the intrinsic luminescence emission signal of 60% ZnO thin film is very weak.
Finally, using interference signals from defect emission of 20%, 40%, 60% ZnO thin films to calculate the thin films thickness and refractive index, then the results are compared with thin films thickness of SEM measurement and refractive index of ZnO bulk.

並列關鍵字

resonance Raman ； phonon ； ZnO

參考文獻

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and structural characterization of electrochemically grown ZnO quantum

“Optical properties of ZnO rods formed by metalorganic chemical vapor

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