Al掺杂浓度、衬底和退火时间对ZnO薄膜特性的影响

论文摘要

ZnO:Al(AZO)薄膜因其低电阻率与高可见光区透射率有望替代ITO,成为主要的透明导电氧化物(TCO)材料。相对于ITO材料,AZO薄膜原材料丰富,价格低廉且无污染,是理想的透明导电氧化物材料。目前用以制备AZO薄膜方法有多种,其中磁控溅射技术因其高的沉积速率与均匀性被认为是重要的制备AZO薄膜的技术之一。本论文通过射频反应磁控溅射方法研究了相同条件下,不同Al对ZnO薄膜的结构及光学特性的影响,从而为ZnO薄膜的应用提供一些实验数据和理论基础。主要研究结果如下:采用射频反应磁控溅射方法在玻璃衬底上制备出Al掺杂ZnO薄膜,并研究了薄膜的微观结构,表面形貌及光学特性。结果表明,未掺杂时ZnO薄膜呈现出较强的(002)衍射峰,这表明薄膜具有垂直于基底平面较好的c轴择优取向,结晶较好,是单晶体。掺杂Al原子后,薄膜均出现(100)、(002)、(101)三个峰,呈现出多晶形态。通过分析薄膜的透射光谱得到,样品在可见光区的平均透射率均约在85%以上,薄膜的吸收边向短波长移动。对AZO薄膜,影响薄膜透射率的是自由载流子,随着掺杂量的增加,透射率逐渐降低,这与直流磁控溅射制备AZO薄膜的透射率结果一致。而对未掺杂的ZnO薄膜却显出比掺杂后较低的透射率,我们认为这和薄膜的不均匀及薄膜与衬底材料的界面有关。通过线性拟合得出,随着掺杂量的增加,样品光学带隙值逐渐增大,吸收边蓝移,这与透射结果一致。这与采用量子限域模型对薄膜的光学带隙作出相应的理论计算所得结果的变化趋势完全一致。因此量子限制模型可以较好的解释Al掺杂导致ZnO薄膜光学带隙的变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 的基本特性
• 1.2.1 ZnO 的结构特性
• 1.2.2 ZnO 的电学特性
• 1.2.3 ZnO 的光学特性
• 1.3 ZnO:Al 薄膜的基本性质
• 1.3.1 ZnO:Al 薄膜的结构
• 1.3.2 ZnO:Al 薄膜的研究现状及发展趋势
• l.3.3 本论文的研究背景及意义
• 参考文献
• 第二章 ZnO:Al 薄膜制备方法及测试方法
• 2.1 ZnO:Al 薄膜的制备
• 2.1.1 热蒸发法
• 2.1.2 溅射镀膜
• 2.1.3 离子束成膜技术
• 2.1.4 化学气相沉积
• 2.1.5 脉冲激光沉积
• 2.1.6 溶胶一凝胶法
• 2.2 ZnO:Al 薄膜的表征方法
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.4 光致发光谱（PL）
• 2.2.5 紫外分光光度计
• 2.2.6 X 射线光电子能谱（XPS）
• 参考文献
• 第三章 Al 掺杂浓度对ZnO 薄膜微结构和光学特性的影响
• 3.1 Al 掺杂浓度对ZnO 薄膜微结构的影响
• 3.2 Al 掺杂浓度对ZnO 薄膜光学特性的影响
• 3.3 Al 掺杂对ZnO 薄膜光吸收特性的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 衬底和退火时间对Al 掺杂ZnO 薄膜微结构和光学特性的影响
• 4.1 不同衬底对Al 掺杂ZnO 薄膜微结构的影响
• 4.2 不同衬底对Al 掺杂ZnO 薄膜光学特性的影响
• 4.3 退火时间对Al 掺杂ZnO 薄膜微结构的影响
• 4.4 退火时间对Al 掺杂ZnO 薄膜光学特性的影响
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 附录:攻读硕士期间发表的论文