玻璃基ZnO：Al薄膜的射频磁控溅射法制备及其结构和性能表征

摘要

由于铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜具有与ITO薄膜相媲美的光电性能，并且其制备原料价格便宜、无毒、储量丰富，在氢等离子体中的稳定性优于ITO薄膜，因而已经成为在透明导电薄膜领域内最具潜力的ITO的替代材料之一。关于AZO薄膜的研究已经很多，本文的创新点是：使用在AZO薄膜的制备工艺中引入了同质缓冲层的方法，改善了薄膜的结构，提高了薄膜的光电性能。 本文在不同工艺条件下用射频磁控溅射法制备了AZO薄膜，并研究了工艺参数变化对薄膜的结构与性能的影响。在此基础上，在不同条件下制备了AZO同质缓冲层，研究了缓冲层厚度和制备温度对薄膜结构与光电性能的影响。得出主要结论如下： 1)XRD测试分析表明，在不同的制备条件下得到的AZO薄膜均会在(002)面择优取向生长，这是由氧化锌(002)面的表面自由能最低所决定的。XPS测试分析表明，薄膜中的主要元素成分为锌和氧，锌以二价形式存在，而氧以负二价形式存在，由于铝元素在薄膜中含量很少，XPS图谱中没有发现铝元素的存在。 2)所制备的AZO薄膜具有高可见光透过率(80％-85％)，在4000-400cm<'-1>波数范围内有较高的中红外反射率(15％-75％)，方块电阻最低可达12 Ω/□左右。 3)引入AZO同质缓冲层可以有效改善薄膜的结构，提高薄膜的光电性能。缓冲层可以降低AZO薄膜与衬底间的失配度，减小薄膜中的残余应力，使薄膜晶粒尺寸变大，从而优化薄膜结构。适当厚度的同质缓冲层可以降低AZO薄膜的方块电阻至37 Ω/□，使薄膜的紫外截止边发生蓝移(335nm-324nm)，增加薄膜的红外反射率至70％，同时不会明显影响薄膜的可见光透过率。室温下最佳的缓冲层制备条件为：溅射功率100W，溅射氩气压0.25Pa，溅射时间5min。在不同衬底温度下引入的缓冲层对薄膜结构与性能均会产生有利的作用。当缓冲层沉积温度为300℃时，所得到的AZO薄膜的晶粒尺寸达到最大值28.18nm，薄膜具有最小的内应力0.07601GPa，最高的红外反射率67％，但是薄膜的透过率并不会发生明显地变化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1绪论

1.1.1透明导电氧化物薄膜概述

1.1.2氧化铟薄膜(In2O3)概述

1.1.3氧化锡薄膜(SnO2)概述

1.2 AZO薄膜概述

1.2.1 AZO薄膜的国内外研究现状

1.2.2 AZO薄膜的制备方法

1.3氧化锌的特性

1.3.1 ZnO的晶体结构

1.3.2 ZnO薄膜的光学性质

1.3.3 ZnO的电学特性

1.4未掺杂时ZnO的导电机制

1.5掺杂后ZnO的导电机制

1.6透明导电薄膜的研究方向

1.7本课题研究的意义和目的

第2章透明导电薄膜的制备方法简介

2.1磁控溅射法

2.2脉冲激光法

2.3溶胶-凝胶法

2.4喷雾热解法

2.5化学气相沉积法

第3章薄膜的相关理论

3.1伯斯坦-莫斯(Burstein-moss)理论

3.2德鲁德(Drude)理论

3.3薄膜生长理论

3.3.1薄膜生长的模式

3.3.2薄膜的生长过程

3.4薄膜中的缺陷

第4章实验部分

4.1靶材制作

4.2玻璃基片的清洗

4.3溅射设备及主要工艺参数

4.4薄膜试样的结构和性能表征方法

4.4.1薄膜结构的测定

4.4.2电学性能测试

4.4.3光学性能测定

4.4.4中红外反射率测试

4.4.5薄膜成分的测定

第5章工艺参数对薄膜的结构与光电性能的影响

5.1衬底温度对薄膜结构及光电性能的影响

5.2溅射气压对薄膜电学及光学性能的影响

5.3溅射功率对薄膜的光电性能影响

5.4退火时间对薄膜的结构和光电性能的影响

5.5本章小结

第6章缓冲层技术及其应用

6.1缓冲层厚度对薄膜的光电性能的影响

6.1.1 X-ray衍射分析

6.1.2薄膜的光学和电学性能

6.1.3本节小结

6.2缓冲层制备温度对薄膜的结构与性能的影响

6.2.1实验过程

6.2.2 X-ray衍射分析

6.2.3薄膜的红外反射率与透过率分析

6.2.4本节小结

第7章结论

后记

参考文献

致谢

读研究生期间发表的论文