Sol-Gel法制备AZO薄膜及其性能研究

论文摘要

铝掺杂氧化锌（AZO）薄膜,一种新兴的宽禁带半导体材料,其透明导电性可广泛应用于制备透明电极和太阳能电池的透明窗口材料,其紫外发光性能可应用于紫外探测器和激光器。AZO薄膜的制备方法主要有磁控溅射,化学气相沉积以及溶胶-凝胶等方法。制备具有可重复性和稳定性的大面积均匀透明导电氧化锌薄膜是目前研究的热点,本论文以溶胶-凝胶法为制备方法,制备了具有高透光率,较低电阻率和一定光致发光性能的AZO薄膜。本论文以二水合乙酸锌作为锌源,六水氯化铝作为铝源,乙二醇甲醚作为有机溶剂,单乙醇胺作为稳定剂,按照一定比例混合,配置成溶胶,并通过旋涂镀膜和退火热处理的方法制备了具有一定光学性能和电学性能的AZO薄膜,讨论了不同衬底,不同退火温度、不同掺杂量、梯度掺杂、缓冲层对AZO薄膜结构形貌、光学性能和电学性能的影响。实验结果表明,硅衬底比玻璃衬底更利于制备具有c轴择优取向的高质量AZO薄膜,且硅衬底上制备的AZO薄膜具有更低的电阻率。硅衬底上铝掺杂量为1.0at%,退火温度为600℃,退火时间为180min时,可以获得具有优异光学性能和电学性能的AZO薄膜,该薄膜的最低电阻率可达4.64×10-3Ω·cm,其尖锐的本征发光峰和近紫外发光峰也表明该薄膜具有较完整的晶体结构；AZO薄膜的透光率受退火温度和掺杂浓度的影响不大,主要受薄膜厚度影响。随铝掺入量的增加,AZO薄膜的表面平整度下降,电导率下降,本征发光峰强度降低,可见光区发光峰强度明显升高；但梯度掺杂的AZO薄膜表面平整度和均匀度有明显提高,而且可以在较大的退火温度区间内获得较稳定的低电阻率,以及较强的本征发光峰；MgO缓冲层的加入使的具有优异光学性能和电学性能的AZO薄膜更容易制备,明显提高了薄膜的质量,而且提高了所制备薄膜的稳定性。室温下ZnO的禁带宽度为3.2eV,铝的掺杂明显提高了ZnO薄膜的禁带宽度,AZO薄膜的禁带宽度随退火温度的升高逐渐降低,随铝掺杂浓度的增加而逐渐升高。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 ZnO薄膜的基本性质
• 1.1.1 ZnO的晶体结构
• 1.1.2 ZnO的压电特性
• 1.1.3 ZnO的光电特性
• 1.1.4 ZnO的缺陷与掺杂
• 1.2 AZO薄膜的性质与应用
• 1.2.1 AZO薄膜的性质
• 1.2.2 AZO薄膜的应用
• 1.3 AZO薄膜的制备方法
• 1.3.1 磁控溅射法
• 1.3.2 溶胶-凝胶法
• 1.3.3 脉冲激光沉积法（PLD）
• 1.3.4 化学气相沉积法（CVD）
• 1.3.5 喷雾热分解法
• 1.4 AZO薄膜的研究现状和发展趋势
• 1.4.1 AZO薄膜的研究现状
• 1.4.2 AZO薄膜的发展趋势
• 1.5 本课题的研究思路
• 第2章 Sol-gel法镀膜原理
• 2.1 Sol-gel法基本原理
• 2.1.1 水解反应
• 2.1.2 聚合反应
• 2.2 Sol-gel法工艺流程
• 2.2.1 均相溶液的制备
• 2.2.2 溶胶制备
• 2.2.3 凝胶化过程
• 2.2.4 凝胶的干燥热处理
• 第3章 实验方案及表征手段
• 3.1 实验原料
• 3.2 AZO薄膜制备工艺
• 3.2.1 工艺流程图
• 3.2.2 基片的清洗
• 3.2.3 溶胶的配制
• 3.2.4 匀胶镀膜
• 3.2.5 退火处理
• 3.3 实验的表征手段
• 3.3.1 X射线衍射测晶体结构
• 3.3.2 扫描电镜测表面形貌
• 3.3.3 霍尔效应仪测电学性能
• 3.3.4 荧光光谱仪和紫外分光光度计测光学性能
• 第4章 实验分析与讨论
• 4.1 探讨制备纯氧化锌薄膜的最佳工艺条件
• 4.1.1 锌离子浓度对氧化锌薄膜的影响
• 4.1.2 退火温度对氧化锌薄膜的影响
• 4.1.3 退火时间对氧化锌薄膜的影响
• 4.2 不同衬底对AZO薄膜的影响
• 4.2.1 不同衬底对AZO薄膜结构的影响
• 4.2.2 不同衬底对AZO薄膜形貌的影响
• 4.2.3 不同衬底对AZO薄膜电学性能的影响
• 4.2.4 不同衬底对AZO薄膜光学性能的影响
• 4.3 不同掺杂浓度对AZO薄膜的影响
• 4.3.1 不同掺杂浓度对AZO薄膜结构的影响
• 4.3.2 不同掺杂浓度对AZO薄膜形貌的影响
• 4.3.3 不同掺杂浓度对AZO薄膜电学性能的影响
• 4.3.4 不同掺杂浓度对AZO薄膜光学性能的影响
• 4.4 梯度掺杂对AZO薄膜的影响
• 4.4.1 梯度掺杂对AZO薄膜结构的影响
• 4.4.2 梯度掺杂对AZO薄膜形貌的影响
• 4.4.3 梯度掺杂对AZO薄膜电学性能的影响
• 4.4.4 梯度掺杂对AZO薄膜光学性能的影响
• 4.5 缓冲层对AZO薄膜的影响
• 4.5.1 MgO薄膜的制备
• 4.5.2 MgO缓冲层对AZO薄膜形貌的影响
• 4.5.3 MgO缓冲层对AZO薄膜电学性能的影响
• 4.5.4 MgO缓冲层对AZO薄膜光学性能的影响
• 4.6 不同因素对AZO薄膜禁带宽度的影响
• 4.6.1 不同退火温度对AZO薄膜禁带宽度的影响
• 4.6.2 不同掺杂浓度对AZO薄膜禁带宽度的影响
• 4.6.3 梯度掺杂对AZO薄膜禁带宽度的影响
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文