红外透明导电膜的制备与应用

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红外透明导电膜作为既可以在红外波段透光又具有良好的导电性能的新型材料,可以被广泛的应用在航空航天、军工防御、光电传感技术、电池能源等高科技行业中,例如红外成像仪、红外热分析仪、航天导弹窗口、航天光电系统、红外电极等。目前为止,国内外研究的重点仍然是在可见光以及近红外光波段的导电薄膜材料,由于其等离子振荡频率ωp极大,截止波长延伸不到中红外或者远红外波段,不能透射中红外光,因此研制出高性能的中红外透明导电膜具有十分深远的意义。通过掺杂,可以改善金属氧化物薄膜的光电特性,而且可以具有很宽的禁带宽度,等离子频率可以延伸到中红外。现今在可见光及近红外波段,已经可以获得性能优异的TCO薄膜,但是中红外透明导电膜的研究较少。本文利用磁控溅射法制备了中红外透明导电W掺杂In2O3薄膜、ZnO薄膜、CuCrO2薄膜以及IWO/Cu/IWO复合薄膜,研究分析了其光电性能。主要工作内容如下:(1)利用射频磁控溅射法制备了IWO薄膜,并研究了不同溅射功率,不同退火温度对IWO薄膜结构、光学及电学特性的影响。研究发现退火温度影响IWO薄膜的光学电学性能,薄膜的结晶性随着退火温度的升高而不断变好,具有(222)晶向的择优生长,退火温度为150℃时,IWO薄膜的透过率最高,达到75%,当退火温度为350℃时,薄膜的XRD衍射峰强度最强,薄膜结晶性最好,薄膜的电阻率最优,可达9.82×10-3Ω·cm,但是在2.5-4.5μm红外波段的平均透过率仅为65%。IWO薄膜的光电特性与薄膜溅射的功率有着密切的关系,随着功率的提升,薄膜的电学性能逐步提升,当溅射功率为30W时,薄膜的电阻率为6.04×10-2Ω·cm,透过率为69%。(2)利用射频磁控溅射与直流磁控溅射法,将IWO/Cu/IWO多层薄膜沉积在石英基底上,并获得了低电阻率的薄膜结构。IWO薄膜不变时,多层薄膜的电导率主要取决于中间Cu层的厚度,优化的薄膜电阻低至4.5×10-4Ω?cm,薄膜透过深受Cu层厚度影响,随着Cu层厚度的增加薄膜的透过首先略微呈现上升趋势,然后迅速下降,当Cu层厚度为4nm时,薄膜中红外区域的最大透过率可达72%,但是平均透过率却不足60%。(3)使用射频磁控溅射法对CuCrO2陶瓷靶进行溅射,在蓝宝石衬底上沉积了CuCrO2薄膜,研究了CuCrO2薄膜的表面形貌、光学与电学性能随负偏压变化的影响,结果发现,负偏压影响着薄膜的生长,当负偏压增大时,薄膜的晶粒数目明显增多,而且晶粒尺寸也变大,高的负偏压可以使粒子在薄膜表面有足够的能量进行再运动,让薄膜变得更加致密均匀,结晶性也更加良好,CuCrO2薄膜的电学性能逐渐改善,当负偏压为-15V时,薄膜的电学性能最好,达到了0.28Ω?cm,此时CuCrO2薄膜在2.5μm-5μm红外平均透过率达到80%。在石英衬底上制备了ZnO薄膜,研究了O2流量跟ZnO薄膜电阻率和光学透过率之间的关系。ZnO薄膜的电阻率随着O2流量的增加而变大,当O2流量为0.4sccm时,ZnO薄膜的电阻率达到最大为6.9×10-2Ω?cm,当O2流量为0跟0.2sccm时,ZnO薄膜的透过率并未有很大的变化,当O2流量为0.4sccm时,ZnO薄膜在2.5μm-5μm波段的平均透过率最小,平均透过率不足80%。(4)利用射频磁控溅射和直流磁控溅射在石英衬底上分别沉积ZnO膜和Cu膜,通过对ZnO层薄膜退火温度的调控,研究了Cu/ZnO肖特基结的I-V特性,当薄膜厚度增加,而且先对ZnO薄膜沉积并退火,保证了半导体层晶态,结晶性更好可以使界面层更加匹配,在ZnO层薄膜380℃的退火处理后,所得ZnO/Cu肖特基结的开启电压约为2.5V。利用射频磁控溅射技术在石英衬底上制备了p-CuCrO2/n-ZnO异质pn结薄膜二极管,通过改变沉积n-ZnO薄膜时的衬底温度,简单对比研究了不同衬底温度沉积n-ZnO薄膜对异质pn结I-V特性的影响,当衬底温度较高达到380℃时,p-CuCrO2/n-ZnO结二极管整流效果明显,此时的二极管正向开启电压为2.6V。
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