溶胶-凝胶法制备Sn掺杂和Al/F-Sn共掺杂ZnO基透明导电膜的研究

摘要

本文采用溶胶-凝胶提拉法，在普通玻璃载玻片上制备了Al掺杂、Sn掺杂、Al-Sn共掺杂和F-Sn共掺杂ZnO薄膜。采用了X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HR-TEM)、X射线电子能谱(XPS)、紫外-可见光谱仪(Uv-vis)、拉曼光谱(Raman)和光致发光光谱(PL)、霍尔测试仪和四探针测试仪分别对样品的结构和表面形貌、光学性能和电学性能进行了研究。
　　 Al、Sn单一掺杂ZnO透明导电膜研究结果表明，适宜的掺杂浓度有助于提高晶体结晶度，促进晶体的C轴择优取向。在掺杂浓度为1％的条件下，Al掺杂ZnO薄膜的最低电阻率为9×10-2Ω·cm，可见光平均透过率为91.4％;对于Sn掺杂ZnO薄膜的最低电阻率为2×10-2Ω·cm，可见光平均透过率为88.9％，最佳掺杂浓度为2％.对X射线电子能谱研究结果，表明掺杂原子分别以Al-O和Sn-O键的形式存在于ZnO晶体中，证实了在ZnO晶格中Zn2+被Al3+和Sn4+替代。
　　 Al-Sn共掺杂ZnO薄膜研究结果表明，相比于Al或Sn的单一掺杂，共掺杂能够进一步提高薄膜的导电性并保持较高的可见光平均透过率。Al-Sn共掺杂ZnO薄膜具有明显的C轴择优取向，在掺杂浓度为0.5-2％的范围内，择优取向不断加强，禁带宽度相较于纯的ZnO变的更宽。研究表明，Sn掺杂的浓度对Al-Sn共掺杂ZnO薄膜的表面形貌具有重大的影响。在Sn的掺杂浓度为2％时，Al-Sn共掺杂ZnO薄膜的最低电阻率为4×10-3Ω·cm，可见光平均透过率为89.7％.
　　 F-Sn共掺杂ZnO透明导电膜的研究表明，F的掺杂能够使薄膜保持较高的载流子霍尔迁移率，从而进一步提高了薄膜的导电性能。在F、Sn的掺杂浓度分别为3％和2％，溶胶浓度为0.5mol/L，退火温度为500℃的条件下，得到了最小电阻率为1×10-3Ω·cm，可见光平均透过率为90.2％的F-Sn共掺杂ZnO透明导电薄膜。文中对F-Sn共掺杂ZnO薄膜的光致发光光谱进行了分析，探讨了发光峰可能的来源机理。在最佳制备条件下，拉曼光谱表明F-Sn共掺杂ZnO透明导电薄膜晶体具有高的结晶度和较低的缺陷浓度。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 透明导电氧化物(TCO)薄膜简介

1．2 TCO薄膜分类

1．2．1 SnO2基薄膜

1．2．2 In2O3基薄膜

1．2．3 氧化锌基薄膜

1．3 TCO薄膜的应用

1．3．1 ITO薄膜的主要应用

1．3．2 ZnO薄膜的主要应用

1．4 ZnO基透明导电膜的研究现状

1．5 ZnO基透明导电膜制备方法

1．5．1 水解法

1．5．2 溶胶-凝胶法

1．5．3 水热法

1．5．4 气相热分解法

1．5．5 喷雾热分解法

1．5．6 磁控溅射法

1．6 课题的研究意义

1．7 创新点

1．8 实验方案和研究内容

1．8．1 实验方案

1．8．2 掺杂ZnO薄膜的制备

1．8．3 反应条件的选择及反应机理的研究

1．8．4 反应机理的验证

第二章 实验与研究方法

2．1 溶胶凝胶法制备ZnO基透明导电膜的优缺点

2．1．1 溶胶-凝胶法的优点

2．1．2 溶胶-凝胶法的缺点

2．2 制备ZnO基透明导电膜的试剂及原料

2．3 实验设备与器材

2．4 实验表征设备

2．5 掺杂ZnO基透明导电膜薄膜的制备

2．5．1 掺杂溶胶的制备

2．5．2 玻璃片的清洗

2．5．3 提拉法制备掺杂ZnO薄膜

2．5．4 薄膜的热处理

第三章 结果与讨论

3．1 ZnO薄膜结构、光学和电学性能分析涉及到的方程式

3．1．1 ZnO薄膜结构分析涉及到的方程式

3．1．2 ZnO薄膜光学性能分析涉及到的方程式

3．1．3 ZnO薄膜电学性能分析涉及到的方程式

3．2 Al掺杂ZnO(AZO)透明导电膜

3．2．1 Al掺杂浓度AZO薄膜的结构、表面形貌和光电性能的影响

3．2．2 不同退火温度对AZO薄膜的结构、表面形貌和光电性能的影响

3．2．3 不同的溶胶浓度对AZO薄膜的结构、表面形貌和光电性能的影响

3．2．4 AZO薄膜实验小结

3．3 Sn掺杂ZnO(TZO)透明导电膜

3．3．1 Sn掺杂浓度TZO薄膜的结构、表面形貌、光学和电学性能的影响

3．3．2 不同退火温度对TZO薄膜的结构、表面形貌和光电性能的影响

3．3．3 不同的溶胶浓度对TZO薄膜的结构、表面形貌、光电性能的影响

3．3．4 TZO实验小结

3．4 AZO薄膜和TZO薄膜的结构、表面形貌和光电性能对比

3．4．1 AZO薄膜和TZO薄膜的结构对比

3．4．2 AZO薄膜和TZO薄膜的表面形貌对比

3．4．3 AZO薄膜和TZO薄膜的元素分析

3．4．4 AZO和TZO薄膜的电学性能对比

3．4．5 AZO和TZO薄膜的光学性能对比

3．4．6 Al、Sn单一掺杂ZnO薄膜的一些对比结论

3．5 Al、Sn共掺杂ZnO(ATZO)透明导电膜的特性研究

3．5．1 Sn掺杂浓度对ATZO薄膜性能的影响

3．5．2 不同退火温度对ATZO薄膜的结构、表面形貌和光电性能的影响

3．6 F、Sn共掺杂ZnO(FTZO)透明导电膜的特性研究

3．6．1 F掺杂浓度对FTZO薄膜性能影响

3．6．2 不同退火温度对FTZO薄膜的结构、表面形貌和光电性能的影响

结论与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

声明

致谢