由于在可见光区域的高透过率和良好的导电性能，透明导电薄膜在很多微电子领域得到了广泛应用。现在，应用最多的透明导电薄膜为铟锡氧化物（ITO）薄膜，该薄膜有非常优异的光电性能。掺氟的氧化锡（FTO）和掺铝的氧化锌（AZO）薄膜是另外两种得到广泛应用的透明导电薄膜。AZO薄膜的光电性能已经可以和ITO薄膜相比，并且具有原料丰富和成本低等优点，在很多方面被认为是取代ITO薄膜的理想材料。尽管如此，透明导电薄膜仍然有很多值得研究的地方。当应用到某些方面（如透明加热器和化学传感器）时，要求透明导电薄膜可以在反复高温下稳定工作。但是，当温度大于700 K时，ITO薄膜会出现性能退化现象，这主要是由In向衬底的扩散引起的。对于AZO薄膜，其热稳定温度约为800K。同时，对于ITO、AZO和FTO薄膜，掺杂原子与被替代原子的价位差为1，即对于每一次成功替代（Sn替代In、Al替代Zn和F替代O）只能产生一个自由电子。对于上述薄膜，为获得理想的载流子浓度来提高薄膜的导电性，必须进行较高比例的掺杂；而较高的掺杂比例会增加电离杂质对载流子的散射作用，从而使迁移率降低。从理论上讲，如果能找到与替代原子价位差更大的掺杂剂，用比较低的掺杂浓度就可以得到同样的载流子浓度，同时降低了电离杂质对载流子的散射，可以获得较高的迁移率，因此，高价位差掺杂有可能获得更好的导电性能。不掺杂的ZnO薄膜，热稳定温度只有450K左右，但是掺入B、F和Al后，热稳定温度可以分别提高到约550K、700K和800K。因此，通过掺入不同的杂质可以有效改变ZnO基透明导电薄膜的热稳定温度。ZrO₂是一种被广泛应用的陶瓷材料，它具有高熔点和高硬度（硬度与金刚石接近）等显著的特点。有人曾报道制备了In₂O3—ZrO₂复合薄膜和ZnO—ZrO₂复合薄膜，经过反复高温（＞1000K）测试后薄膜性能稳定。因此ZZO薄膜有望在高温下稳定工作。对于掺锆的氧化锌（ZZO），从理论上分析，Zr在ZrO₂中以Zr⁴⁺的形式存在，Zn在ZnO中以Zn²⁺的形式存在，在ZZO薄膜中，Zr原子可以占据ZnO中部分Zn原子的位置形成替位式掺杂，同时可以提供两个自由电子做为载流子，从而提高薄膜的导电性能；并且，在ZnO结构中Zn的位置上（配位数为4），Zr⁴⁺与Zn²⁺的离子半径分别为0.59 （?）和0.60 （?），十分接近，应该容易形成替位式掺杂，并且可以将对晶格结构的影响降到最低。这说明Zr是一种很好的掺杂剂。已经有报道制备出了ZZO透明导电薄膜。此外，ZZO薄膜的原料ZnO和ZrO₂还具有储量丰富、无毒和价格便宜等优点，这对于薄膜的实用和工业化生产是非常重要的。目前，关于ZZO薄膜的研究很少，有报道用PLD和sol—gel方法制备出了ZZO透明导电薄膜，几乎没有用溅射法制备该薄膜的报道。射频溅射法做为一种现在广泛使用的镀膜方法，与PLD相比具有价格便宜、易于大面积均匀成膜等优点，与sol—gel相比具有成膜质量好、易于控制、与电子和微电子工艺相适应等优点。因此，有必要用溅射法制备ZZO薄膜并研究其性能。在本论文中，我们报道了用磁控射频溅射法制备ZZO透明导电薄膜，系统分析了掺杂比例和制备参数，如薄膜厚度、溅射气压和溅射功率等，对ZZO薄膜的结构、成分、电学和光学等性质的影响。所有制备的样品都是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜，并且具有垂直于衬底的c轴择优取向。为研究掺杂比例对薄膜性质的影响，我们选取了五个掺杂比例不同的靶材制备样品，靶中ZrO₂的比例分别为0 wt.％，3 wt.％，5 wt.％，7 wt.％和10 wt.％。实验中，溅射气压为0.6 Pa，溅射功率为100 W，薄膜厚度约为300 nm。Ar⁺溅射剥离前的薄膜表面有明显的有机碳污染，无法分辨出对应于Zr 3d的峰；剥离之后，绝大多数碳污染被去除，Zr 3d的峰也同时出现。剥离前的表面，约有一半的O原子为吸附的O离子，这些氧存在于-OH或OH...O结构中。剥离后，对于所有的样品，大多数Zn原子和O原了分别以Zn²⁺和O^2-的形式存在于理想化学配比的ZnO的纤锌矿结构中，一小部分O原了以O^2-的形式存在于缺氧区域（即，氧空位附近）；大多数Zr原子以Zr⁴⁺的形式存在，但是对于不同的样品处于不同的结构中，有时主要作为替位原子取代Zn的位置，而有时主要存在于ZrO₂结构中。对于每一个样品，薄膜中的O／Zn和Zr／Zn的值都要小于靶中的相应值。未掺杂的样品处于严重的缺氧状态；对于掺杂的样品，O／Zn都大于80 at.％，并且随掺杂比例没有明显变化。对于所有的样品，c轴方向的晶格常数都大于标准ZnO体材料的相应数值。当掺杂比例从0 wt.％增加到5 wt.％，晶格常数从5.24 （?）增加到5.27 （?）；当掺杂比例从5 wt.％增加到10 wt.％，晶格常数更明显地从5.27 （?）增加到5.40 （?）。当掺杂比例从0 wt.％增加到5 wt.％，薄膜结晶质量提高，晶粒尺寸由16.6 nm增加到20 nm；随着掺杂比例进一步增加到10 wt.％，晶粒尺寸又降至11.1 nm。掺杂比例为5 wt.％的样品表面有比较致密的结构并且起伏比较平缓。对于未掺杂的样品，当T小于179 K时，电离杂质散射是主要的散射机制；当T大于179 K时，起主导作用的是晶粒间界散射。对于掺杂比例为5 wt.％的样品，在整个温度范围内，主要的散射机制是电离杂质散射。对于掺杂比例为7 wt.％的样品，在整个温度范围内，晶粒间界散射为主要的散射机制。对于我们制备的薄膜，载流子的主要来源是氧空位和Zr取代Zn而形成的替位掺杂。当掺杂比例从0 wt.％增加到5 wt.％，薄膜的电阻率减小；但是，当掺杂比例进一步增加到10 wt.％，电阻率明显增加。获得的最低电阻率为1.61×10^-3Ωcm，此时霍尔迁移率为10.3 cm²V^-1 s^-1，载流子浓度为3.78×10²⁰ cm^-3。所有薄膜在可见光区域的平均透过率都在90％以上。随掺杂比例从0 wt.％增加到5 wt.％，光学带隙从3.28 eV增加到3.35 eV：当掺杂比例进一步增加到10 wt.％时，光学带隙减小到3.32 eV。为研究薄膜厚度对薄膜性质的影响，我们制备了六个厚度分别为100 nm，170nm，225 nm，345 nm，475 nm和600 nm的样品，实验中，所用靶材的ZrO₂掺杂比例为5 wt.％，溅射气压为0.6 Pa，溅射功率为125 W。对于所有样品，生长速率约为30 nm／min，随溅射时间并没有明显变化。当厚度从100 nm增加到345 nm时，薄膜的结晶质量提高，晶粒尺寸从9.39 nm增加到14 nm；从345 nm到475 nm，晶粒尺寸几乎不变；当厚度继续增加时，晶粒尺寸略有变小。随着晶粒尺寸的增加，薄膜表面粗糙度也同时增加。当厚度从100 nm增加到475 nm，薄膜的电阻率持续减小；当厚度进一步增加到600 nm时，电阻率有所增加。获得的最低电阻率为2.93×10^-3Ωcm，此时霍尔迁移率为13 cm²V^-1 s^-1，载流子浓度为1.71×10²⁰ cm^-3。所有薄膜在可见光区域的平均透过率为90％左右，随厚度的增加，透过率有所降低。随厚度的增加，光学带隙从3.42 eV减小到3.27 ev。为研究溅射气压对薄膜性质的影响，我们分别在0.6 Pa，1.2 Pa，1.6 Pa，2.1 Pa和2.5 Pa气压下制备了样品。实验中，所用靶材的ZrO₂掺杂比例为5 wt.％，溅射功率为100 W，薄膜厚度约为300 nm。当溅射气压由0.6 Pa增加到2.5 Pa，生长速率明显降低，由20 nm／min降至9 nm／min。晶粒尺寸随溅射气压的变化不大。当溅射气压从0.6 Pa增加到1.6 Pa，晶粒尺寸由20 nm增加为23.5 nm，随着溅射气压继续增加到3.0 Pa，晶粒尺寸减小为20.5 nm。当溅射气压比较低时，薄膜具有相对致密的结构，表面有一定的起伏；随着溅射气压的升高，薄膜表面结构转变为分离的晶粒，晶粒的周围为孔洞。当溅射气压由0.6 Pa增加到2.5 Pa，薄膜的电阻率由明显增加。获得的最低电阻率为2.07×10^-3Ωcm，此时霍尔迁移率为16 cm² V^-1 s^-1，载流子浓度为1.95×10²⁰ cm^-3。随溅射气压的增加，透过率有所降低，但是所有薄膜在可见光区域的平均透过率都大于90％。随溅射气压由0.6 Pa增加到2.5 Pa，光学带隙从3.35 eV减小到3.20 eV。为研究溅射功率对薄膜性质的影响，我们分别用75 W，100 W，125 W和150 W的功率制备了样品。实验中，所用靶材的ZrO₂掺杂比例为5 wt.％，溅射气压为0.6Pa，薄膜厚度约为300 nm。随着溅射功率由75 W增加到150 W，薄膜的生长速率从14 nm／min明显增加到33 nm／min。所有样品c轴方向的晶格常数都介于5.25 （?）和5.28 （?）之间，这些数值都比ZnO体材料的相应参数（5.207 （?））大。当溅射功率从75 W增加到100 W，薄膜的结晶质量提高，晶粒尺寸从15.1 nm增加到20nm；但是随着溅射功率进一步增加到150 W，晶粒尺寸从20 m减小到10.3 nm。当溅射功率从75 W增加到100 W，薄膜表面形貌从小晶粒分散分布的结构转变为比较致密的结构；当溅射功率进一步增加到150 W，薄膜表面粗糙度明显增加，表面转变为由空洞围绕的晶粒的结构。当溅射功率从75 W增加到100 W，薄膜的电阻率明显减小；但是，当溅射功率从100 W增加到150 W，电阻率有所增加。获得的最低电阻率为2.07×10^-3Ωcm，此时霍尔迁移率为16 cm² V^-1 s^-1，载流子浓度为1.95×10²⁰ cm^-3。所有薄膜在可见光区域的平均透过率约为92％，光学带隙都约为3.33 eV。