论文部分内容阅读
本文采用射频磁控溅射法,首次在透明柔性聚合物TPT材料衬底上制备了掺铝氧化锌透明导电薄膜(ZAO),研究了关键工艺参数对薄膜结构及光电性能的影响,并与玻璃衬底上制备的ZAO薄膜性能进行对比分析；结合实验测试结果,对ZAO薄膜的导电性能进行了仿真分析和实验验证,并对其透光性能进行了分析；最后研究了TPT柔性基ZAO薄膜的绒面结构刻蚀工艺,成功制备出具有良好陷光效果的绒面ZAO薄膜。主要研究工作如下：选用柔性透明TPT和玻璃衬底,改变ZnO靶材中Al2O3的掺杂浓度、Ar气压强、溅射功率、溅射气氛等工艺参数,制备ZAO薄膜,利用XRD、SEM、XPS、Raman、UV-vis、Hall测试系统等多种测试分析手段,研究了ZAO薄膜的微观结构与光电性能。研究结果表明,两种衬底上制备的ZAO薄膜均为六角纤锌矿结构的多晶材料,具有垂直于衬底的c轴择优取向。ZnO靶材中Al2O3的重量百分比为2%时,ZAO薄膜的结晶质量和平整度及薄膜导电性能较好。低溅射气压制备的薄膜更加致密,结晶较好；Ar气压力为1Pa时,玻璃衬底上制备的ZAO薄膜的品质因子最大,为10254.1Ω-1cm-1。随溅射功率增加,ZAO薄膜晶粒尺寸增加,导电性能改善,晶粒尺寸可达400nm左右,且薄膜内的应力降低,在150W时最低为0.33GPa,当功率超过大约160W时,薄膜应力由拉应力变成压应力。少量的H2可改善ZAO薄膜结晶质量,H2的引入使薄膜的O 1s峰向更低结合能移动,薄膜电阻率随氢的增加先降低后增加,当H2流量为1sccm时,玻璃衬底上薄膜电阻率最低为5.32×10-4Ω·cm,载流子浓度为6.85×1020cm-3,霍尔迁移率为10.5cm2/VS。ZAO薄膜在590nm附近有一发光带,气氛中加入O2时,发光带强度降低,分析认为与锌氧化学计量比失衡引起的缺陷能级有关。SiO2缓冲层可以改善ZAO薄膜结晶质量,减小薄膜的晶格畸变,降低薄膜内存在的应力,提高薄膜中载流子浓度,从而提高薄膜的导电性能。室温下TPT衬底上制备ZAO薄膜时,当溅射功率120W、工作气压1Pa、薄膜厚度800nm、氢/氩流量比为5%时薄膜具有良好的光电性能：薄膜可见光平均透过率约为72%、电阻率为6.5×10-3Ω·cm,载流子浓度为2.45×1020cm-3,霍尔迁移率为2.36 cm2/Vs。建立了载流子迁移率模型,对ZAO薄膜电学特性进行了仿真分析,并结合测试结果进行实验验证,并对其透光性能进行了分析。发现替位A1原子形成的载流子是ZAO薄膜的主要载流子来源。当载流子浓度在1018cm-3量级及以下时,晶界散射是影响薄膜导电性能的主要因素。当载流子浓度达到1020cm-3量级时,离化杂质散射是影响其导电性能的主要因素,且载流子迁移率与载流子浓度的-2.14/3次方成正比。载流子浓度处于两者之间时,同时存在晶界散射和离化杂质散射等多种散射机制。在实验得到的载流子范围内(≤1020cm-3),ZAO薄膜的光学带隙随着载流子浓度的增加出现宽化现象,光学带隙与载流子浓度的2/3次方基本呈线性关系。可见光透过率与薄膜晶粒尺寸及表面粗糙度有关,随着晶粒尺寸的增加和粗糙度的降低,薄膜的透光性能得到改善。采用乙酸溶液,对TPT衬底上的ZAO薄膜进行了刻蚀。当乙酸浓度为1%,刻蚀时间为10s时,薄膜表面呈金字塔结构,光散射能力改善,薄膜在可见光内的透过率约为60%,方阻约为260Ω/□。