Ga掺杂ZnO柔性透明导电薄膜的制备及附着性能研究

摘要

电子器件的发展逐渐趋向柔性化，使得对柔性透明导电薄膜的需求日益迫切。ZnO作为一种新型宽禁带半导体，具有可见光透明、室温沉积、在氢等离子体中稳定等优点，成为制备透明导电膜的理想材料。薄膜柔性化通过使用有机衬底来实现，ZnO是无机材料，与有机衬底之间的性质差异较大，易导致两者之间的附着性不好，故高附着性能ZnO膜制备是亟待解决的科学难题。本文中，在室温条件下采用射频磁控溅射法在柔性衬底上制备了Ga掺杂ZnO(GZO)透明导电薄膜，并重点研究了其附着性能。通过各种测试手段表征ZnO薄膜与聚合物衬底之间的附着机制，根据附着机制，有针对性的采取缓冲层来优化薄膜的附着性能。具体总结如下:
　　1.研究了溅射气压对柔性GZO透明导电薄膜结构、电学、光学和附着性能的影响。在实验气压范围内，薄膜的可见光透过率均接近90％，GZO薄膜的电阻率最低为1.6×10-3Ω·cm。当溅射气压为0.4Pa时，品质因子ΦTC最大，为2.5×10-2Ω-1，表明最佳的溅射气压为0.4 Pa。当溅射气压由0.2 Pa增加到0.5 Pa时，薄膜的附着性能没有明显的区别。但当溅射气压增加到0.7 Pa时，薄膜的附着力降低。
　　2.本文首次研究了Ar流量速率对柔性GZO透明导电薄膜的结构、电学、光学和附着性能的影响。在所研究的Ar流量速率变化范围内，所有薄膜的透过率均接近90％。当Ar流量速率为40 sccm时，薄膜的残余应力由压应力变为拉应力，表明薄膜的结晶性最好。并且此时，薄膜的方块电阻最低(7.9Ω/sq)，附着性能最佳。
　　3.磁控溅射制备的一个GZO薄膜样品，其电阻率为8.9×10-4Ω·cm，可见光区域的透过率超过85％。薄膜的电阻率和透过率表明薄膜具有优异的电学和光学性能，可以满足光电器件应用的要求。但是，薄膜与聚合物之间的附着性能较差。为了找出附着性能差的原因，采用XPS深度剖析、残余应力测试和SIMS分析的方法首次对GZO薄膜与聚合物衬底之间的附着机制进行了研究。研究发现，薄膜中的残余应力为压应力。SIMS结果表明，界面存在元素扩散。然而根据XPS深度剖析结果，GZO薄膜与聚合物衬底之间不存在化学键合。
　　4.为了改善GZO薄膜与聚合物衬底之间的附着性能，在两者之间添加TiO2作为缓冲层。TiO2缓冲层的制备也采用室温射频磁控溅射的方法。重点研究了不同TiO2缓冲层厚度对GZO薄膜附着性能的影响。同时，也对GZO薄膜的结构、光学和电学性能进行了表征。添加TiO2缓冲层后GZO薄膜中的残余压应力减小，并有向拉应力转变的趋势。TiO2缓冲层可以改善GZO与PC衬底之间的附着性能，但是需要选择合适的厚度。当TiO2缓冲层的厚度为13nm时，GZO薄膜的附着性能改善最明显。但是，TiO2缓冲层的添加会降低GZO薄膜的光学和电学性能。磁控溅射TiO2缓冲层的工艺需要进一步优化，在提高GZO薄膜附着性能的同时，也能保证GZO薄膜具有优异的光电性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 ZnO的结构与性质

1．2．2 ZnO的晶体结构

1．2．3 ZnO的能带结构

1．3 ZnO透明导电薄膜的性能

1．3．1 ZnO透明导电薄膜的光学性能

1．3．2 ZnO透明导电薄膜的电学性能

1．3．3 ZnO透明导电薄膜的附着性能

1．4 柔性ZnO透明导电薄膜

1．4．2 柔性ZnO透明导电薄膜的制备方法

1．4．3 柔性ZnO透明导电薄膜的研究现状

1．5 本论文的立题思路和研究内容

第二章 实验方法与表征方式

2．1 磁控溅射技术

2．1．1 磁控溅射原理

2．1．2 磁控溅射设备

2．1．3 薄膜的制备方法

2．2 薄膜的表征手段

第三章 柔性ZnO透明导电膜的制备和性能研究

3．1．1 薄膜的XRD分析

3．1．2 薄膜的SEM表征

3．1．3 薄膜的光电性能

3．1．4 薄膜的附着性能

3．1．5 小结

3．2 Ar流量速率对柔性GZO薄膜性能的影响

3．2．1 薄膜的XRD分析

3．2．2 薄膜的SEM表征

3．2．3 薄膜的光电性能

3．2．4 薄膜的附着性能

3．2．5 小结

第四章 柔性ZnO薄膜附着性能的优化

4．1．1 GZO薄膜的性能表征

4．1．2 应力状态分析

4．1．3 界面成分分布情况

4．1．4 界面化学态分析

4．1．5 小结

4．2 TiO2缓冲层对柔性ZnO薄膜附着性能的优化

4．2．1 薄膜的XRD分析

4．2．2 薄膜的附着性能

4．2．3 薄膜的SEM表征

4．2．4 薄膜的光电性能

4．2．5 小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间取得的科研成果