ZnO基透明导电薄膜的低温制备及性能优化

论文摘要

透明导电薄膜将透明和导电性能相结合,是一类具有鲜明特色的功能薄膜材料,广泛应用于太阳能电池、液晶显示器、节能玻璃等光电领域。在这类材料中,掺杂氧化锌（ZnO）是一种具有良好可见光透射性和类金属导电性的透明导电薄膜,相对目前应用最广的氧化铟锡（ITO）薄膜,具有材料来源丰富、价格低廉、无毒、容易实现低温沉积以及在氢等离子体环境中稳定等优势,是最有希望替代ITO的材料。本文采用直流反应磁控溅射技术在室温条件下制备Al掺杂ZnO （AZO）透明导电薄膜,着重研究了气体总压强、氧分压等工艺参数对薄膜性能的影响。为进一步提高薄膜的电学性能,我们利用双靶溅射制备了AZO和Cu的复合多层结构透明导电薄膜,主要研究了沉积Cu层时的工艺参数对薄膜性能的影响。通过研究得出以下主要结果：1、采用直流反应磁控溅射Zn-Al合金靶材,以普通玻璃为衬底,在室温条件下制备AZO薄膜。当A1含量（4at.%）、衬底温度（-25℃）、溅射压强（0.7Pa）等工艺参数一定时,氧分压的优化至关重要。当氧分压控制在0.027-0.052Pa之间时,AZO薄膜具有明显的c轴择优取向,表面相对平滑,晶粒堆垛致密均匀,电阻率达10-3Ω.cm量级,可见光透射率超过90%；氧分压为0.027Pa时,具有最低电阻率为4.11×10-3Ω.cm,最佳品质因子（OTC）为2.38×10-3Ω-1。2、在硬质玻璃衬底上制备了AZO/Cu、Cu/AZO和AZO/Cu/AZO三种多层结构透明导电薄膜,研究了Cu层厚度、AZO层厚度和适当加热时生长温度对薄膜性能的影响。Cu层厚度对薄膜光电性能影响较大,一般随Cu层厚度增加,薄膜电学性能明显改善,可见光透射性能略微下降；AZO层厚度对薄膜电学性能影响较小,但可以用来调控透射谱峰位；三种结构中,AZO/Cu具有最佳的光电综合性能,可同时获得21.7Ω/sq的低电阻和80%的可见光透射率,相应的OTC值为4.82×10-3Ω-1; Cu/AZO光电综合性能最差。适度加热有利于AZO/Cu和AZO/Cu/AZO两种薄膜光电综合性能的提升,150℃下制备的AZO/Cu双层薄膜具有最大OTC值为1.11×10-2Ω-1,且在较宽的近红外波长范围内反射率超过70%。3、针对ZnO基透明导电薄膜的柔性器件应用,在PC柔性衬底上制备了AZO/Cu、Cu/AZO和AZO/Cu/AZO三种多层结构薄膜,研究了Cu层沉积时间及溅射功率对薄膜性能的影响。一般,相同条件下制备的薄膜中,AZO/Cu具有最佳可见光透射性, AZO/Cu/AZO具有最佳导电性和近红外反射性,Cu/AZO光电性能最差。优化工艺参数后,AZO/Cu可获得的最大OTC值为3.47×10-3Ω-1,AZO/Cu/AZO为2.48×10-3Ω-1。

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 透明导电薄膜概述
• 1.2 ZnO的性质
• 1.2.1 ZnO的基本性质
• 1.2.2 ZnO的光电特性
• 1.2.3 ZnO的其它特性
• 1.3 ZnO中的点缺陷
• 1.3.1 ZnO中的本征点缺陷
• 1.3.2 ZnO中的非本征点缺陷
• 1.4 ZnO透明导电薄膜的制备技术
• 1.4.1 真空蒸发镀膜
• 1.4.2 磁控溅射镀膜
• 1.4.3 化学气相沉积
• 1.4.4 溶胶-凝胶法
• 1.4.5 喷雾热分解法
• 1.5 ZnO基透明导电薄膜的研究现状
• 1.5.1 AZO透明导电薄膜的低温制备
• 1.5.2 ZnO基多层透明导电薄膜的低温制备
• 1.6 ZnO基透明导电薄膜的应用
• 1.6.1 透明热镜
• 1.6.2 薄膜太阳能电池
• 1.6.3 平面显示器
• 1.6.4 其它应用
• 1.7 本文的立题思路
• 第二章 实验原理及设备、薄膜制备及表征
• 2.1 直流反应磁控溅射原理
• 2.2 直流反应磁控溅射设备
• 2.3 ZnO基透明导电薄膜的制备
• 2.3.1 靶材的制备
• 2.3.2 衬底的清洗
• 2.3.3 溅射镀膜
• 2.4 ZnO基透明导电薄膜的性能表征
• 第三章 AZO透明导电薄膜的室温制备及性能优化
• 3.1 气体总压强对AZO透明导电薄膜光电特性的影响
• 3.2 氧分压对AZO透明导电薄膜性能的影响
• 3.2.1 氧分压对AZO透明导电薄膜沉积速率的影响
• 3.2.2 氧分压对AZO透明导电薄膜结构性能的影响
• 3.2.3 氧分压对AZO透明导电薄膜电学性能的影响
• 3.2.4 氧分压对AZO透明导电薄膜光学性能的影响
• 3.2.5 AZO透明导电薄膜的表面化学态分析
• 3.2.6 小结
• 第四章 Cu基AZO多层结构薄膜的低温制备及性能优化
• 4.1 Cu层厚度对多层薄膜性能的影响
• 4.1.1 Cu层厚度对多层薄膜电学性能的影响
• 4.1.2 Cu层厚度对多层薄膜结构性能的影响
• 4.1.3 Cu层厚度对多层薄膜光学性能的影响
• 4.1.4 Cu层厚度对多层薄膜品质因子的影响
• 4.1.5 三种多层薄膜的热稳定性研究
• 4.1.6 小结
• 4.2 AZO层厚度对多层结构薄膜性能的影响
• 4.2.1 AZO层厚度对AZO/Cu双层薄膜电学性能的影响
• 4.2.2 AZO层厚度对AZO/Cu双层薄膜光学性能的影响
• 4.2.3 AZO层厚度对AZO/Cu双层薄膜品质因子的影响
• 4.3 不同生长温度下的Cu基AZO多层结构薄膜的性能研究
• 4.3.1 生长温度对多层薄膜电学性能的影响
• 4.3.2 生长温度对多层薄膜光学性能的影响
• 4.3.3 生长温度对多层薄膜品质因子的影响
• 4.3.4 生长温度对AZO/Cu双层薄膜结构性能的影响
• 4.3.5 小结
• 第五章 柔性Cu基AZO多层结构薄膜的制备及性能优化
• 5.1 Cu层沉积时间对多层结构薄膜性能的影响
• 5.1.1 Cu层沉积时间对多层薄膜电学性能的影响
• 5.1.2 Cu层沉积时间对多层薄膜光学性能的影响
• 5.1.3 Cu层沉积时间对多层薄膜品质因子的影响
• 5.1.4 小结
• 5.2 Cu层溅射功率对多层结构薄膜性能的影响
• 5.2.1 Cu层溅射功率对多层薄膜电学性能的影响
• 5.2.2 Cu层溅射功率对多层薄膜光学性能的影响
• 5.2.3 Cu层溅射功率对多层薄膜品质因子的影响
• 5.2.4 Cu层溅射功率对AZO/Cu双层薄膜结构性能和化学特性的影响
• 5.2.5 小结
• 第六章 结论
• 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它研究成果