柔性硼、氟共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备与性能研究以及第一性原理计算

摘要

氧化锌基透明薄膜由于在可见光范围内透过率高、导电性能良好等特性，在光电器件领域得到广泛应用，特别是作为透明导电电极来取代传统的金属电极。作为一种宽禁带II-VI族化合物半导体材料，通过掺入Ga、Al等第三主族元素能在很大程度的提升薄膜氧化锌(ZnO)的导电性能，但金属元素掺杂存在两个缺点：一、载流子迁移率低，二、近红外区域薄膜透明性不理想，这是由于自由电子的吸收导致，这两个问题在很大程度上限制了ZnO基薄膜在太阳能电池中的应用。本文采用非金属B、F共掺杂氧化锌的方法制备高性能的透明电极，研究了纯氧化锌、F掺杂氧化锌以及B、F共掺杂ZnO（BFZO）薄膜的性能，并且利用第一性原理计算验证和研究了BFZO薄膜高电学性能的原因。本论文主要内容包括以下几点：
　　1、采用磁控溅射方法在柔性聚碳酸酯（Polycarbonate）衬底和玻璃衬底上制备BFZO、FZO、ZnO薄膜并研究薄膜性能。在溅射功率为120w，气压3mTorr，常温情况下，柔性BFZO薄膜具有最好的光电性能，电阻率最低为1.64×10-3Ωcm，迁移率5.18cm2V-1s-1，载流子浓度-7.99×1020/cm3，在300-2000nm可见光和近红外光范围内透过率超过85%。
　　2、根据第一性原理，基于密度泛函理论基础上建立72个原子的ZnO模型，计算了B、F在BFZO中的位置及态密度，发现BZn-FO在（0110）方向是能量最低，从而得到B、F掺杂的状态和位置，研究BFZO态密度得到，得到B是提高BFZO导电性的主要原因。
　　3、利用磁控方法在柔性衬底表面引入Nb2O5缓冲层，再用浸渍提拉法在表面沉积SiO2薄膜，缓冲层的引入提高了薄膜晶体质量，消除了裂纹，迁移率从5.18cm2V-1s-1提升到11.97cm2V-1s-1，同时五氧化二铌（Nb2O5）和二氧化硅（SiO2）也是光学薄膜中常见的光学膜，也可以进一步提高透明导电薄膜的光学性能。

目录

声明

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 ZnO的基本性质

2.2 ZnO的B、F掺杂

2.3 ZnO基柔性透明导电薄膜的研究进展

2.4 第一性原理计算

2.5 SiO2与Nb2O5光学薄膜的研究

2.6 本论文的选题依据和研究内容

第三章 实验原理、制备工艺及表征技术

3.1 磁控溅射技术

3.2 浸渍提拉技术

3.3 制备工艺

3.4 薄膜表征技术

第四章 柔性硼氟共掺杂ZnO薄膜的制备与性能表征

4.1正交实验设计和参数摸索

4.2 柔性衬底与玻璃衬底BFZO薄膜结构性能和表面形貌

4.3 柔性衬底与玻璃衬底BFZO薄膜光学性能

4.4 柔性衬底与玻璃衬底BFZO薄膜电学性能

4.5 柔性BFZO、FZO与ZnO 薄膜性能对比研究

4.6 第一性原理计算过程

4.7 第一性原理计算BFZO薄膜的形成能

4.8 第一性原理计算BFZO薄膜的能带结构

4.9 第一性原理计算BFZO薄膜的态密度

4.10 本章小结

第五章 缓冲层引入对BFZO薄膜的影响与性能表征

5.1 SiO2与Nb2O5光学薄膜作为缓冲层的优势

5.2 SiO2与Nb2O5缓冲层对BFZO薄膜的结构性能影响

5.3 SiO2与Nb2O5缓冲层对BFZO薄膜的光学性能影响

5.4 SiO2与Nb2O5缓冲层BFZO薄膜的电学性能影响

5.5 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果