ZnO基透明导电薄膜的制备工艺与性能研究

摘要

透明导电薄膜的应用遍及太阳能电池、透明薄膜晶体管和平面液晶显示器等领域，其中ZnO基透明导电薄膜光电特性优良，便于获取原料，无毒低价，在光电领域更是有着诸多实际和潜在的应用。由于ZnO基薄膜制备的方式和工艺对薄膜的光电性能有着十分重要的影响，因此本文研究内容有：
　　（1）采用溶胶-凝胶法制备AZO薄膜，研究退火温度、退火气氛对AZO薄膜光电性能的影响。在550℃以上的退火温度中，所制备的AZO薄膜样品表面致密均匀，经过650℃温度退火的AZO薄膜，其在400nm-900nm区域的光学平均透过率超过85％，同时具有良好的紫外截止性能。随着退火温度的升高，衍射角在34°附近的（002）峰峰位逐渐增强，平均晶粒尺寸随之增大，样品的缺陷减少。在氮气氛围中退火的 AZO薄膜样品比在空气中退火的薄膜样品具有更好的结晶性能，薄膜样品在可见光区域内的透过率比在空气中退火的薄膜样品有所提高，薄膜的光致发光强度也明显增强，且在2.68eV位置有明显的蓝光发光带，在2.97eV位置也有较为明显的蓝光发光带。薄膜的禁带宽度在氮气氛围退火后，有逐渐减小的趋向。
　　（2）采用磁控溅射法制备WZO薄膜，研究了一般磁控溅射法和调制掺杂磁控溅射方法中不同的溅射气压对WZO薄膜光电性能的影响。
　　采用一般磁控溅射法在石英薄膜衬底上沉积了WZO薄膜。不同溅射气压条件下制备的WZO薄膜，在适当的溅射气压条件下，W能有效地替位Zn进行掺杂，也改善了WZO薄膜的电学性能。但由于高浓度的载流子会对光子产生有效的复合吸收，这导致W掺杂的ZnO透明导电薄膜在1000~2500nm区域的红外波段的透过率明显下降。溅射气压分别在0.5Pa，1.0Pa，1.2Pa，1.4Pa制备的WZO薄膜样品中，薄膜的最高电阻率6.8×10-3Ω·cm，最低为3.97×10-3Ω·cm。随着溅射气压的增加，溅射粒子的平均自由程减小，W的掺杂效应由弱增强再减弱，所制备的薄膜样品的结晶取由34°附近的（002）转向36.35°附近的（101），后又转向（002）位置。溅射气压为1.2Pa的薄膜，其平均光学透过率在500nm~1000nm光谱区域可达85%以上，此时的薄膜电阻率最低，其值为3.9×10-3Ω·cm。
　　调制掺杂磁控溅射方法中，通过控制两个溅射阶段气压变化，可控制 W掺杂效果和薄膜质量，影响薄膜的载流子浓度和迁移率，进而影响了薄膜的电学性能和近红外光透过率。制备的WZO薄膜均具有明显的（002）和（101）衍射峰，随着第一阶段溅射气压的增加，样品的结晶取向呈现先由（002）向（101）转变，然后再由（101）向（002）转变。且在第一阶段溅射气压较低的情况下，有利于样品表面“类陨石坑”状绒面出现。所制备薄膜的最低电阻率为4.83×10-3Ω·cm。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 透明导电氧化物薄膜概述

1.2 氧化锌的结构与性质

1.2.1 ZnO的基本性质

1.2.2 ZnO的结构特性

1.2.3 ZnO的光电性质

1.3.1 太阳能电池的原理

1.3.2 ZnO透明导电薄膜在太阳能电池中的应用

1.4 本论文的选题依据和研究内容

第二章 ZnO透明导电薄膜的制备方法和测试方法

2.1 ZnO透明导电薄膜的制备方法

2.1.1 溶胶-凝胶法(sol-gel)

2.1.2 磁控溅射法

2.2 ZnO透明导电薄膜的测试分析方法

2.2.1 X射线衍射( XRD )

2.2.2 扫描电子显微镜( SEM )

2.2.3 紫外-可见-近红外( UV-Vis )光分光光度计

2.2.4 光致发光谱( PL )

2.2.5 霍尔效应测试( Hall )

2.2.7 X射线光电子能谱( XPS )

第三章 溶胶-凝胶法制备AZO薄膜及其性能研究

3.1 AZO薄膜的制备

3.1.1 实验设备及其用途

3.1.2 实验药品

3.1.3 胶体制备

3.1.4 薄膜制备与热处理

3.2.1 退火温度对AZO薄膜结晶性能的影响

3.2.2 退火温度对AZO薄膜表面形貌的影响

3.2.3 退火温度对AZO薄膜光学透过率的影响

3.2.4 退火温度对AZO薄膜光致发光效应的影响

3.3 N2氛围下退火温度对溶胶-凝胶法制备AZO薄膜性能的影响

3.3.1 N2氛围下退火温度对AZO薄膜结晶性能的影响

3.3.2 N2氛围下退火温度对AZO薄膜表面形貌的影响

3.3.3 N2氛围下退火温度对AZO薄膜光学透过率的影响

3.3.4 N2氛围下退火温度对AZO薄膜光致发光性能的影响

3.4 本章小结

第四章 磁控溅射制备WZO薄膜及其光电性能的研究

4.1 薄膜的制备

4.1.1 磁控溅射系统

4.1.2 薄膜制备流程

4.2 溅射气压对WZO透明导电薄膜结构及其光电性能的影响

4.2.1 溅射气压对WZO透明导电薄膜结晶性能的影响

4.2.2 溅射气压对WZO透明导电薄膜表面形貌的影响

4.2.3 溅射气压对WZO透明导电薄膜光学性能的影响

4.2.4 溅射气压对WZO透明导电薄膜电学性能的影响

4.3 调制掺杂溅射气压对制备WZO透明导电薄膜结构性能的影响

4.3.1 调制掺杂溅射气压对WZO透明导电薄膜结晶性能的影响

4.3.2 调制掺杂溅射气压对WZO透明导电薄膜表面形貌的影响

4.3.3 调制掺杂溅射气压对WZO透明导电薄膜光学性能的影响

4.3.4 调制溅射气压对WZO透明导电薄膜电学性能的影响

4.4 本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献