柔性衬底上掺杂氧化锌薄膜的制备及性能研究

摘要

ZnO是一种六角纤锌矿结构的直接带隙(～3.3 eV)半导体材料,具有多种优良的物理化学性能,如导热性能好、化学性质稳定,且材料来源十分丰富,在光电探测器、发光二极管、表面声波器件、变阻器、气体传感器、太阳能电池等领域具有广泛的应用价值。掺杂ZnO能进一步改善其性能,尤其在有机柔性衬底上生长的ZnO基薄膜具有可绕曲、重量轻、不易破碎、易于大面积生产、便于运输等独特的优点,可广泛应用于制造智能卡片、电子地图、平面显示器和柔性衬底太阳能电池等,具有很好的应用前景。本文利用脉冲激光沉积(Plused LaserDeposition,PLD)技术,选取在有机柔性衬底(PET)上沉积的Al掺杂ZnO(AZO)和Hf掺杂ZnO(HfxZn1-xO)两种多元氧化物薄膜为研究对象,分别研究了制备工艺、不同掺杂量对两种薄膜结构和光电学性能的影响,获得了如下主要结果： 1、利用PLD方法分别在有机柔性(PET)衬底上沉积了AZO薄膜,对不同Al掺杂浓度薄膜结构和光电性能分析结果显示：可在PET衬底上制备出具有良好ZnO(002)取向的AZO薄膜。Al掺杂浓度会影响薄膜质量与光电性能,我们对薄膜的导电机制进行了讨论。 2、研究了不同的制备条件下3 at％Al:ZnO薄膜的结构和光电性能。结果表明：当激光频率为10 Hz、氧压为5 Pa、衬底温度为室温时,薄膜具有最好的结晶状况和导电性能(电阻率约为9×10-4 Ω·cm)。沉积速率过快会影响薄膜的结晶状况；氧压的增大将降低薄膜的氧空位,从而降低载流子浓度影响导电性能：衬底温度升高之后,有机衬底发生变形导致一些有害杂质进入到薄膜中使密度降低,并最终影响薄膜的光电性能。 3、通过PLD方法,研究了PET衬底上生长了不同Hf含量掺杂的HfxZn1-xO薄膜的微结构和光学性能。结果表明,掺杂浓度低于5 at％时,薄膜具有良好c轴取向,实现了稀土元素Hf在ZnO薄膜中的有效掺杂。当Hf含量大于5 at％时,薄膜开始向非晶结构转变。薄膜的平均透射率高于80％,随掺杂量增大,薄膜电阻率先减小后增大,当Hf含量为0.5 at％时,薄膜的导电性能最佳：电阻率约为1.2×10-3Ω·cm。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节ZnO的结构和性质

第二节ZnO薄膜的应用

第三节掺杂ZnO薄膜的特性和研究现状

第四节柔性衬底上透明导电膜的研究进展

第五节本论文的主要研究内容

第二章薄膜制备和性能表征技术

第一节脉冲激光沉积(PLD)技术

第二节薄膜性能表征技术

第三章Al掺杂ZnO薄膜的制备与性能

第一节实验方法

第二节AZO薄膜的形貌和微结构

第三节AZO薄膜的光学性能

第四节AZO薄膜的电学性能

第五节不同制各参数对AZO薄膜性能的影响

第六节本章小结

第四章Hf掺杂ZnO薄膜的制备与性能

第一节实验方法

第二节HfxZn1-xO薄膜的结构和形貌

第三节HfxZn1-xO薄膜的光学性能

第四节HfxZn1-xO薄膜的导电性能

第五节本章小结

第五章结论

攻读硕士学位期间发表的论文

参考文献

致谢