超声喷雾热解法制备ZnO基透明导电薄膜及其结构和性能研究

摘要

ZnO基透明导电薄膜作为一种新型的 II-VI族直接宽禁带氧化物半导体薄膜材料,因其优异的光电、压电特性以及高化学稳定性和高性能价格比而具有广阔的应用前景,被认为是继In2O3:Sn(ITO)薄膜之后最有发展潜力的透明导电薄膜材料之一。
　　本文利用自制的超声喷雾热解(USP)设备以乙酰丙酮锌的水-乙醇混合溶液为前躯体溶液,用乙酰丙酮铝、乙酰丙酮镁作为掺杂剂,在玻璃衬底上分别制备了具有择优取向生长的ZnO薄膜、ZnO:Al(AZO)薄膜和MgxZn1-xO薄膜,并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、四探针以及紫外-可见光分光光度计(UV-Vis spectrometer analysis)等分析测试手段,研究了制备工艺(衬底温度、喷口到衬底的距离、前驱体溶液浓度、沉积时间、退火温度等)、掺杂浓度、退火工艺等对薄膜晶体结构、表面形貌和光电性能的影响。
　　实验结果表明,适当的生长条件有利于制备高质量的 ZnO薄膜:当衬底温度为300℃,喷口-衬底距离为3cm,前驱体溶液浓度为0.1mol/L,沉积时间为10min时,制备的ZnO薄膜c轴内应力较小,晶粒尺寸较大,表面较平整,且具有高度的c轴择优取向。ZnO薄膜在空气气氛中退火后晶粒尺寸有所增大,且随退火温度升高薄膜的晶粒形状由长条状向圆片状、棒状转变。同时,适当的退火温度可提高薄膜的结晶性,但超过500℃的退火温度反而会有损于薄膜的质量。此外,随着退火温度升高, ZnO薄膜(002)衍射峰的强度增大,但取向性并没有相应地增强。
　　制备的ZnO:Al薄膜沿(101)晶面择优生长,表面晶粒呈扁豆状。ZnO:Al薄膜的方块电阻随 Al掺杂浓度的增加,呈现先下降后增大的趋势,在 Al掺杂浓度为4at％时,ZnO:Al薄膜取得最低方块电阻4.4kΩ/sq。在真空气氛中退火可以进一步改善薄膜的电学性能,500℃真空退火后可使薄膜方块电阻降到106Ω/sq。薄膜在可见光波段的平均透光率在80%左右。而4at%Al掺杂的ZnO:Al薄膜样品在550~600℃真空退火后,透光率降到60%左右。这是因为真空退火提高了薄膜中氧空位的浓度,使薄膜的电学性能提高,光学性能下降。
　　制备的MgxZn1-xO薄膜仍然保持着ZnO的纤锌矿结构,没有MgO相生成,Mg可以有效地溶入ZnO的晶格中。MgxZn1-xO薄膜具有良好的透光性,在可见光波段的光透过率在85%以上;随着Mg含量的增加,MgxZn1-xO薄膜的吸收边出现蓝移现象,禁带宽度从3.30eV增加到3.54eV,薄膜的透光范围向紫外区域扩展,实现了对MgxZn1-xO禁带宽度的调节,为其在紫外光电器件方面的应用奠定了基础。500℃真空退火可使Mg0.1Zn0.9O薄膜方块电阻降至6kΩ/sq,明显改善了薄膜的电学性能,但由于氧空位增加,降低了薄膜的透射率。

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第一章 ZnO基透明导电薄膜

§1.1 透明导电薄膜概述

§1.2 ZnO基透明导电氧化物薄膜

§1.3超声喷雾热解（Ultrasonic Spray Pyrolysis，USP）技术

§1.4 本论文的研究意义和研究内容

第二章 ZnO基薄膜的超声喷雾热解法制备及结构、性能表征

§2.1 超声喷雾热解法制备ZnO薄膜

§2.2 ZnO基薄膜的结构和性能表征

§2.3 整体实验方案设计

第三章 工艺参数对ZnO薄膜结构和形貌的影响

§3.1 衬底温度对ZnO薄膜结构和表面形貌的影响

§3.2 喷口-衬底距离对ZnO薄膜结构和表面形貌的影响

§3.3 前躯体溶液浓度对ZnO薄膜结构和表面形貌的影响

§3.4 沉积时间对ZnO薄膜结构和表面形貌的影响

§3.5 退火温度对ZnO薄膜结构和表面形貌的影响

§3.6 本章小结

第四章 Al掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响

§4.1 Al掺杂ZnO薄膜的制备

§4.2 Al掺杂浓度对ZnO:Al薄膜晶体结构和表面形貌的影响

§4.3 Al掺杂浓度对ZnO:Al薄膜光电性能的影响

§4.4 退火温度对ZnO:Al薄膜光电性能的影响

§4.5 退火气氛对ZnO:Al薄膜晶体结构和光电性能的影响

§4.6 本章小结

第五章 Mg掺杂对ZnO薄膜结构和性能的影响

§5.1 Mg掺杂ZnO薄膜制备

§5.2 Mg掺杂浓度对MgxZn1-xO薄膜晶体结构和光学性能的影响

§5.3 退火气氛对MgxZn1-xO薄膜晶体结构和光电性能的影响

§5.4 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果