NiO是一种直接带隙宽禁带半导体材料，在室温下，其禁带宽度为3.6eV~4.0eV之间，通常结构为立方NaCl结构，为一种典型的具有3d电子结构的过渡金属氧化物。NiO有很多特点，例如天然呈现p型导电、电子结构也较为特殊等，这些特点促使NiO形成了许多独特性质，在透明导电、紫外探测、电致变色、气敏等领域的应用前景表现的尤为广阔。随着半导体行业的不断改变和进步，天然p型导电材料NiO逐渐崭露头角。本论文主要工作是采用MOCVD方法制备NiO薄膜。

第1章 绪  论................................................................................................................. 1

1.1 论文研究相关信息....................................................................................................... 1

1.2 近年应用结果及进展.................................................................................................. 1

第2章 NiO的性质及应用....................................................................................... 3

2.1 NiO材料的结构特性.................................................................................................... 3

2.2 NiO材料的光电特性.................................................................................................... 3

2.3 NiO材料的气敏特性................................................................................................... 5

2.4 NiO材料的电致变色特性.......................................................................................... 6

2.5 NiO材料的应用及进展............................................................................................... 6

第3章 薄膜的制备技术及表征方法............................................................... 10

3.1 NiO薄膜制备技术...................................................................................................... 10

3.1.1 真空蒸发镀膜........................................................................................................ 10

3.1.2 分子束外延............................................................................................................ 11

3.1.3 脉冲激光沉积........................................................................................................ 12

3.1.4 原子层沉积............................................................................................................ 13

3.1.5 化学气相沉积........................................................................................................ 13

3.1.6 溶胶-凝胶技术....................................................................................................... 14

3.2 材料及器件的表征方法............................................................................................ 15

3.2.1 扫描电子显微镜（SEM）.................................................................................... 15

3.2.2 X射线衍射（XRD）............................................................................................. 16

3.2.3 紫外-可见透射光谱（UV-Vis）........................................................................... 16

3.2.4 霍尔效应（Hall）................................................................................................. 16

3.2.5 半导体特性测试系统（Keith4200-SCS）........................................................... 17

3.2.6 电致发光测试系统（EL）................................................................................... 17

第4章 MOCVD方法制备NiO薄膜及性能研究.................................... 18

4.1生长温度对MOCVD方法制备NiO薄膜性质影响...................................... 18

4.1.1生长温度对NiO薄膜表面形貌的影响................................................................ 18

4.1.2生长温度对NiO薄膜晶体结构的影响................................................................ 20

4.1.3生长温度对NiO薄膜光学性质的影响................................................................ 22

4.1.4生长温度对NiO薄膜电学特性的影响................................................................ 23

4.2 NiO源流量变化对MOCVD方法制备NiO薄膜性质的影响.................... 24

4.2.1 Ni源流量变化对NiO薄膜的表面形貌影响....................................................... 24

4.2.2 Ni源流量变化对NiO薄膜的晶体质量影响....................................................... 26

4.2.3 Ni源流量对NiO薄膜的光学特性影响............................................................... 28

4.2.4 Ni源流量对NiO薄膜的电学特性影响............................................................... 29

4.3本章小结........................................................................................................................ 30

第5章　结　论............................................................................................................. 32

NiO为直接带隙半导体，禁带宽度在3.6eV~4.0eV之间，与其它氧化物结构不同，NiO自身比较稳定，且有一般氧化物所不具有的一些特性。目前关于NiO材料的磁学特性研究较多，关于其光电特性研究较少，尤其是NiO材料的能带结构和光学带隙等基本理论仍然存在很大的争议，这恰恰使得NiO材料在光电方面具有很大的研究价值和空间。Ni与O的电子组态分别为Ni:1s22s22p63s23p64s23d8和O: 1s22s22p6，氧化镍的电子结构为Ni3d8O2p6。根据能带理论，镍的三维轨道没有被电子完全占据，所以它应该 属于金属。然而，由于电子的相关性，三维轨道中的电子只限于镍轨道，因而在室温的情况下NiO是不导电的，如图所示。一些理论研究表明，当氧化镍禁带宽度达到4.0eV时，其性能与绝缘体非常接近。然而，NiO呈现出P型导电性。此外，在氧化镍薄膜中掺杂锂也提高了薄膜的导电性，其导电机制如图2.3所示。因此NiO常在半导体中被用作p型导电材料，尤其在半导体光电器件研究方面深受许多科研工作者的关注。近年来，随着对NiO薄膜材料的大力研究，大量实验表明，化学气相沉积法制备氧化镍薄膜的实验中，生长温度、气体流量和反应室压力等实验条件对NiO薄膜材料的电学和光学性能影响很大。

在MOCVD方法制备NiO薄膜中，生长温度是一个至关重要的实验参数，如果想使薄膜的表面结构、光学、电学等其它性质得到优化，必须选择合适的温度窗口。表4.1显示了不同温度条件下NiO薄膜的具体实验参数。对不同生长温度下制备出的NiO薄膜，我们采用SEM对其表面形貌进行了测试和分析。图4.1给出了NiO薄膜(A)样品在放大倍数为50000倍下的SEM断面图。图中的标尺为100nm。从图中可以清晰的看到，NiO呈致密的薄膜状结构，无明显的晶粒间隙，薄膜厚度大约为160nm。

如图为不同温度条件下NiO薄膜样品A、B、C、D的SEM表面形貌图（分别对应生长温度为510℃、540℃、570℃、600℃），图中的放大倍数均为50000倍。

通过观察四个样品的SEM照片可以发现，样品的晶粒尺寸与生长温度成正比关系；除此之外，相比C、D样品，A、B样品的晶粒形状较不规则，也就是说薄膜样品的晶粒在温度较低的情况下没有规则的形状，随着生长温度的增加（C样品，570℃），逐渐有立方的晶粒出现，同样，在样品D中可以看到立方的晶粒，而且相比较样品C晶粒的尺寸也在逐步增加。薄膜的生长是这样进行的，首先有一些“岛”状物会在衬底上初步形成，随后反应物或者沉积物的原子不断的填充“岛”与“岛”之间的空隙，这样“岛”与“岛”之间不断的连成片，其间的原子不断的长大，最终合并形成薄膜，这种情况是薄膜生长中比较理想的过程。然而温度对薄膜的形成以及对薄膜质量的影响至关重要，无论是过高和过低的生长温度都不利于薄膜的形成，所以其在薄膜制备的过程中是不可小觑的。原子的迁移能力在温度过低的情况下会很差，形成的晶体质量也会较差。研究发现立方晶粒会随着温度的升高而出现并逐渐长大，此现象说明NiO薄膜的生长与NaCl型晶体结构生长是完全一样的。因此我们可以得出，此现象是NiO薄膜在高温生长的情况下，晶体质量得到了进一步改良的结果。