ZnO的透明导电薄膜的制备与研究

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ZnO是Ⅱ-Ⅵ族,直接宽带隙半导体材料,常温下其禁带宽度为3.3eV,激子束缚能为60meV,晶体结构为六方纤锌矿结构。通过掺杂可使得ZnO具有优异的光电特性,使其在光电器件上具有重要的应用价值。其中掺杂铝的ZnO薄膜是目前研究最多的。因为ITO的价格较昂贵,且In有毒,对人体和自然环境都有一定的影响,所以目前研究的透明导电氧化物薄膜主要以寻找可替代ITO薄膜的方向出发。本文也从寻找可替代ITO薄膜的角度出发,分别用射频磁控溅射法和溶胶-凝胶法制备AZO(ZnO:Al)薄膜。主要通过改变工艺参数的方法,找到最优的参数值使得薄膜的电学和光学特性最好。用XRD、SEM、AFM、四探针、单色仪分别对对薄膜的结构特性、表面形貌、薄膜电学性能、薄膜光学性能进行分析。   实验表明,工艺参数对薄膜的性能具有非常重要的影响,Zn和Al分别是以Zn2+和Al3+的形式存在的,Al掺杂并没有改变ZnO薄膜的纤锌矿结构,薄膜仍具有(002)方向的择优取向。对于磁控溅射法制备的AZO薄膜,其改变的工艺参数分别为:溅射功率、溅射气体流量、衬底温度。当溅射功率为180W、氩气流量为15sccm、衬底温度为200℃、本征压强为1.5×10-3Pa、沉积时间为60min时,制备的薄膜的方阻值最低为12Ω/□。对于溶胶-凝胶法制备的AZO薄膜,其改变的工艺参数为:掺杂铝的质量分数、退火温度、镀膜层数。当溶胶浓度为0.3M、Al的质量分数为5%at.、镀膜层数为15层、退火温度为500℃保温1h,随后在自然环境中快速冷却时制备的薄膜获得最小的方阻值为20Ω/□。   从实验结果可以看出,用物理方法和化学方法制备的AZO薄膜都表现出很好的可见光区的透射率,平均值一般都在90%以上;薄膜的电学性能差距不大。实验发现,当薄膜的电学性能越好时,薄膜的光学带隙越宽,发生了“蓝移”现象,这可用Burstein-Moss效应解释。同时,通过改变不同工艺参数的值,验证了工艺参数对薄膜的电学和光学性能都有很大的影响。   本文从物理和化学两种方法对AZO薄膜进行分析,结果表明,制备的薄膜都具有很好的性能。物理方法制备的薄膜较平整,且周期较短,一般为2-3个小时,实用与大规模生产;化学方法制备的薄膜电学性能还是稍微差一点,且工艺参数较难控制,在大面积基体上沉积不均匀。所以不适合于大规模生产。
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