磁控溅射制备ZnO:AI薄膜及其光电性能与微观结构研究

摘要

透明导电掺铝氧化锌ZnO:AI(AZO)薄膜以其较低的电阻率和可见光范围内的高透过率，可与目前广泛应用的掺锡氧化铟(ITO)薄膜相媲美，而且具有成本低、资源丰富、无毒性、在氢等离子体中的高稳定性等优势，并在太阳能电池、液晶显示器、电磁防护屏等领域具有广阔的应用前景。但在当前阶段，AZO导电膜还没有被广泛使用，原因主要在于人们还没有找到合适和稳定的工艺条件，离真正的大规模工业化生产尚有一段距离。因此，AZO透明导电薄膜的制备工艺成为目前的研究热点。
　　 本文以锌铝合金为靶材(2.0wt％AI)，利用直流和中频脉冲反应磁控溅射法制备出了AZO薄膜，采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、四点探针测试仪和紫外.可见(UV-VIS)分光光度计等测试手段对薄膜的微观结构及光学和电学性能进行了表征和分析，研究了氩氧比、真空退火、中频脉宽和频率对薄膜结构、光学和电学性能的影响，并探讨了薄膜导电机制。
　　 研究结果表明:氧气流量显著影响AZO薄膜的光电性能和微观结构。氧气流量高于Ssccm所制备的薄膜可见光透过率高但不导电，而氧气流量为2.5sccm时沉积的薄膜呈现出金属性特征（导电但不透明），只有在3.0sccm—4.0sccm氧气流量范围内才能制备出满足行业要求的透明导电AZO薄膜，氧气流量为3.5sccm时AZO薄膜具有较低的电阻率，为1.67×10-3Ω.cm，且可见光平均透过率达91％。XRD结果表明，制得的薄膜具有六方纤锌矿结构，沿(002)晶面择优取向生长，且随氧气流量的降低，薄膜晶化程度变好;TEM和SEM结果显示，薄膜为多晶结构，表面平整，晶粒致密，氧气过量时，HRTEM像出现了铝的氧化物纳米颗粒，说明过高的氧气流量致使Al失去掺杂效果;适当的氧气流量下A13+对2n2+的替换提供大量自由电子，电阻率大幅降低。
　　 真空退火处理极大地改善了AZO薄膜的结构及性能。真空退火后，薄膜电阻率下降了2-4个数量级，可见光平均透过率略微增大且透射光谱发生“蓝移”。XRD、TEM、SEM结果证明:400℃真空退火后AZO薄膜的结晶程度明显提高，结晶取向更明显，(103)衍射峰消失，(002)晶面衍射峰向标准峰靠近，并且发生再结晶，晶粒增大，薄膜对光的散射程度降低;此外，间隙Al3+的扩散使载流子浓度增加，使得退火后薄膜导电性能显著改善。
　　 中频脉冲磁控溅射沉积AZO薄膜，通过调节脉冲频率和脉宽，减少了靶面氧化现象的发生。实验发现从本质上来讲，制得的薄膜性能与占空比(△T/T)有关系，不管怎样改变脉宽和频率，都是在占空比为12％时得到的薄膜性能最为优异。

目录

声明

摘要

1 前言

1.1 透明导电薄膜分类及特性

1.1.1 透明导电金属薄膜

1.1.2 透明导电氧化物薄膜

1.2 ZnO的晶体结构

1.3 ZnO的基本特性及应用

1.4 AZO透明导电膜的结构特性及应用

1.4.1 AZO的结构特征

1.4.2 AZO的电学特性

1.4.3 AZO的光学特性

1.4.4 AZO透明导电薄膜的应用

1.5 AZO透明导电薄膜的研究现状及进展

1.5.1 AZO薄膜的国内外研究

1.5.2 AZO薄膜制备方法及其优缺点

1.6 本课题的研究目的及意义

2 AZO薄膜的制备及性能表征

2.1 AZO薄膜的制备

2.1.1 实验材料准备及预处理

2.1.2 AZO薄膜制备

2.2 方案设计

2.3 AZO薄膜光电性能和微观结构表征

2.3.1 AZO薄膜可见光透过率检测

2.3.2 AZO薄膜电阻率的测定

2.3.3 X射线衍射分析

2.3.4 扫描电子显微分析

2.3.5 透射电子显微分析

2.4 技术路线

3 氩氧比对AZO薄膜微观结构和光电性能的影响

3.1 AZO薄膜的微观结构分析

3.1.1 XRD结果与分析

3.1.2 SEM结果与分析

3.1.3 TEM结果与分析

3.2 AZO薄膜的光电性能测试与分析

3.2.1 AZO薄膜的光学性能

3.2.2 AZO薄膜的电学性能

3.3 大电流下氩氧比对AZO薄膜性能的影响

3.3.1 光电性能研究

3.3.2 XRD图谱分析

3.4 小结

4 真空退火对AZO薄膜性能及结构的影响

4.1 退火工艺制定与退火过程

4.2 退火温度对AZO薄膜电学性能的影响

4.3 退火对AZO薄膜光学性能影响

4.3.1 退火对透过率及吸收边位置的影响

4.3.2 退火对禁带宽度的影响

4.4 退火后XRD分析

4.5 退火后SEM分析

4.6 退火后TEM分析

4.7 小结

5 中频脉冲磁控溅射制备AZO薄膜

5.1 中频脉冲反应溅射介绍

5.2 AZO薄膜制备工艺及光电性能

5.3 脉宽和频率对物相结构的影响

5.4 真空退火对脉冲溅射AZO薄膜性能的影响

5.5 退火前后TEM分析

5.6 小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文