溅射参数对单层AZO和多层AZO/Cu/AZO薄膜性能的影响研究

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近年来,ZnO薄膜材料在光电器件领域,获得了广泛的应用。ZnO材料作为一种禁带宽度达到3.3eV的半导体材料,具有晶格结构、光学和电学方面的诸多优点。并且相对于ITO薄膜,ZnO:Al(简称AZO)薄膜的电阻率更低、可见光透过率更高,并且由于原材料储量丰富,价格低廉,制备过程不会产生污染,因此有望在透明导电领域,成为ITO薄膜的替代者。磁控溅射技术,作为众多AZO薄膜制备技术中的一种,具有相对较高的均匀性和沉积速率,被认为是制备AZO薄膜较为理想的制备技术。  本文前两章,首先对ZnO和透明导电(TCO)薄膜的性质、结构、及发展现状进行了概括和总结,再对单层AZO薄膜和多层AZO/Cu/AZO薄膜的性能和应用领域进行了介绍,之后又对AZO薄膜的制备方法和表征方式进行了综合描述。  在此基础上,本实验采用磁控溅射技术,以纯度3N、2wt%Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶作为溅射靶材,在普通载玻片衬底上制备了单层和多层 AZO薄膜样品。之后对所得的样品,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪、紫外可见光谱仪(UV-Vis)等方法进行了测试分析。着重研究了不同制备参数(包括衬底温度、溅射压强、溅射功率等),对AZO薄膜形貌结构和光电性能的影响。最终得到了以下的结论:  通过分析并汇总实验数据,实验验证了:AZO薄膜的晶体结构、表面形貌、及光电性能,受到衬底温度、溅射压强、溅射功率等制备参数的显著影响。实验制备得到的所有AZO薄膜样品,均为多晶的六角纤锌矿结构,呈现c轴(002)晶面择优取向,并且在可见光区范围内的光透过率较高。对于单层AZO薄膜来说,当溅射偏压为60V,衬底温度达到200℃时薄膜性能最佳,并且后续退火处理可以显著降低其电阻率。以此为基础,对于多层AZO/Cu/AZO薄膜,当溅射功率达到120W,溅射压强为0.5Pa时薄膜性能达到最佳。  最终得出了,在低温区域内,磁控溅射技术制备AZO薄膜的优化工艺参数:溅射时间30min、负偏压为60V、衬底温度200℃时、300℃氮气退火后,制得的单层AZO薄膜的可见光透过率达到81%,最低电阻率为9.2×10-4Ω·cm;以此为基础,当溅射压强为0.5Pa,溅射功率为120W时,多层AZO/Cu/AZO薄膜的可见光透过率为75%,最低电阻率为7.2×10-4Ω·cm。
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