基于柔性衬底的ZnO:Ga透明导电薄膜的制备及其性能研究

摘要

如今，随着光电子器件的快速发展，使得人们对于透明导电薄膜性能要求日渐提高。继铟锡氧化物薄膜之后，ZnO薄膜已成为最重要的电极材料之一。在薄膜衬底方面，柔性材料因为质量轻、成本低、柔韧性好等优点，正在逐渐取代石英玻璃等硬质材料，成为透明导电薄膜衬底的首要选择。因此，在柔性衬底上制备 ZnO基透明导电薄膜更是具有相当广阔的应用前景。但是，因为柔性衬底材料的特殊性，使其并不能与ZnO基透明导电薄膜良好结合。薄膜弯曲后极易出现脱落或者是龟裂现象，严重影响了薄膜的电学性能，这也是柔性电子材料走向产业化道路亟待解决的主要问题之一。
　　本文通过射频磁控溅射技术，以柔性材料对苯二甲酸乙二酯（PET）为衬底，成功制备出附着力良好、电学性能优秀的透明ZnO：Ga薄膜。实验主要研究了溅射功率、靶间距、溅射气压三种工艺参数的变化对薄膜晶体结构、内应力及其光电性能的影响，并通过分层调制溅射的方法，提高薄膜与衬底之间的晶格匹配，从而达到减小薄膜内应力的作用。研究结果如下：
　　1.利用射频磁控溅射技术制备出与衬底结合良好的柔性衬底 GZO薄膜。通过设计正交试验，得出各工艺对薄膜电学性能影响重要性的主次顺序以及相对应的最优参数为：溅射功率200W、衬底温度80℃、溅射时间1.5h、溅射气压1.3Pa、靶间距55mm、气体流量40sccm，最优参数下得到的薄膜方阻为138Ω。
　　2.针对溅射功率对薄膜电学性能影响最大的特点，研究了不同溅射功率对柔性衬底GZO薄膜性能的影响，并对比分析了在同等条件下石英玻璃衬底上GZO薄膜的性能优劣。研究表明，随着溅射功率的增大，两种衬底上的薄膜电阻率都逐渐减小，PET衬底上薄膜可见光透过率逐渐减小，而石英玻璃衬底表现出高透过率。两种衬底的晶格失配都比较严重，其中内应力最大的是PET衬底上100W时的-6.8118Gpa。柔性衬底GZO薄膜最小电阻率为7.17×10-3Ω·cm，相应透过率为最低的69％。
　　3.通过同时调节靶间距和溅射气压，在 PET衬底上沉积晶体结构不同的同质缓冲层，并设计了 A、B、C、D四种分层调制溅射方案。每种溅射方法都分为前后相同的两个时间段，方案A、B保持前后溅射气压不变，以靶间距为变量；方案C、D保持前后靶间距不变，以溅射气压为变量。实验结果表明，薄膜性能得到加大提升，薄膜内应力大幅下降，且内应力变化趋势除方案C、D中溅射气压为1.5Pa时相反外，均与沉积速率的变化相同。靶间距的不同决定了薄膜内应力的存在形式，方案B、D中内应力都处于张应力状态，其电学性能要远胜于方案A、C中的压应力状态。溅射气压的不同对薄膜透过率有很大影响，特别是溅射气压从1.0Pa升高到1.5Pa时，方案C透过率出现了明显增大，方案D则明显减小。所有方案中薄膜平均透过率都大于70%，其中方案A最佳，平均透过率为80%，但电学性能相对最差。薄膜电阻率最低为2.1×10-3Ω·cm，相应透过率为78%，内应力为1.3346Gpa。

目录

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 ZnO简介

1.3 ZnO基透明导电薄膜的制备技术

1.4 ZnO基透明导电薄膜的应用

1.5 柔性衬底材料类型简介及柔性衬底TCO薄膜的应用

1.6 柔性衬底TCO薄膜的应用

1.7 课题的提出及其实验设计方法

第二章 柔性衬底GZO薄膜的制备和表征方法

2.1 制备柔性衬底GZO薄膜的实验方法

2.2 柔性衬底GZO薄膜的性能表征

第三章 基于柔性衬底GZO薄膜制备及性能分析

3.1 正交试验设计

3.2 柔性衬底GZO薄膜正交试验设计与结果分析

3.3 溅射功率对柔性衬底GZO薄膜性能的影响

3.4 石英玻璃衬底上GZO薄膜的对比分析

3.5 本章小结

第四章 分层调制溅射制备柔性衬底GZO薄膜及性能分析

4.1 同质缓冲层的设计

4.2 靶间距在分层调制溅射中对GZO薄膜的性能影响

4.3 溅射气压在分层调制溅射中对GZO薄膜的性能影响

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献