石墨烯复合掺铟氧化锌透明导电薄膜的制备及光电性能研究

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透明导电氧化物薄膜在可见光范围内具有高透明性和导电性,因此可以作为用途广泛的功能薄膜。氧化锌由于其拥有高的禁带宽度和大的束缚能,资源丰富且无毒无害而受到了关注。石墨烯作为新世纪的“宠儿”也由于其优异的性能受到了大量学者的研究。目前,ZnO薄膜和石墨烯已被应用于光电子器件(如LED、薄膜太阳能电池)的窗口材料、薄膜晶体管、气敏传感器等领域中。本文采用溶胶-凝胶法制备ZnO、In掺杂ZnO和In-石墨烯(包括石墨烯和氧化石墨烯)共掺ZnO薄膜,使用SEM、XRD、UV-Vis、霍尔效应仪等对薄膜的微观形貌结构、光电性能进行研究分析。本文主要内容如下:(1)制备了掺杂浓度为0、0.5、1、2 mol%In的IZO(In:ZnO)薄膜,研究结果表明:In掺杂浓度的增大,会阻碍晶体沿c轴择优生长,晶粒尺寸从22.84nm(0 mol%In)减小到15.00 nm(2 mol%In);薄膜的光学透过率有所增大(掺杂1 mol%In的IZO薄膜最优光学透过率达到90%),禁带宽度从3.27 e V降低至3.23 e V。将掺杂浓度为1 mol%的IZO薄膜分别在420oC和500oC的空气中进行热处理结果表明:热处理温度的变化对薄膜光学透过影响不大,但会提高薄膜的结晶度,从而增大晶粒尺寸。(2)在上述基础上制备了In和石墨烯(Graphene)共掺的IZO/G(IZO/Graphene)复合薄膜。研究表明:随着石墨烯浓度的增大,薄膜的晶粒尺寸减小(从15.78nm降低至9.85 nm),光学透过性变差(从90%减小到42%);IZO和石墨烯之间的相互作用使得薄膜的禁带宽度随着石墨烯的增加而减小(从3.27 e V减小到3.20e V)。由TEM、光学透射光谱和Raman光谱可以证明:所掺杂的石墨烯是多层的。电学分析表明:在一定浓度范围内(石墨烯掺杂量:0 wt.%-0.1 wt.%),薄膜方阻随着石墨烯的增加而降低;但是掺杂量过多会导致方阻变大,导电碳材料的益处会降低。真空退火有助于薄膜在c轴的取向生长,对光学透过率影响不大,但对电学性能影响较高。经真空退火12 h后,IZO/G复合薄膜的方阻达到最小值85KΩ/□,此时的霍尔迁移率为~11.8 cm~2/Vs,载流子浓度为~7.38 x 1018/cm~3。(3)对制备出的IZO/GO(IZO/氧化石墨烯(Graphene oxide))薄膜进行相关测试,并与IZO、IZO/G薄膜进行光电性能比较,经分析发现:IZO/GO的光学透过率较好,但样品合成过程中出现结构缺陷,光学带隙减少至3.22 eV。通过霍尔效应仪测试发现:最优的IZO/GO(0.05 wt.%)的方阻为379 KΩ/□,远远大于IZO/G薄膜的85 KΩ/□,原因可能在于氧化石墨烯(GO)表面基团(如-OH,-COOH等)破坏了π键,使其导电性能变差。最后对本文进行了总结与归纳,提出了可以进行改进的方法与今后可以进行研究的方向。
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