新型透明导电氧化物薄膜的研究

论文摘要

本文采用直流磁控反应溅射金属镶嵌靶In/Mo和In/W制备高价态差掺钼氧化铟（In2O3：Mo，IMO）和掺钨氧化铟（In2O3：W，IWO）透明导电薄膜，详细研究了氧分量、溅射电流、沉积温度等工艺参数对IMO和IWO薄膜电学和光学性能的影响；利用XRD，AFM，XPS等分析手段对薄膜进行表征；也采用渠道火化烧蚀技术沉积了IMO薄膜。本文还在未加热衬底上沉积IMO薄膜，探索室温沉积IMO薄膜的工艺条件。首次采用铂钨共掺调制透明导电IWO薄膜的表面功函数，采用UPS表征样品的表面功函数的变化，利用XRD、XPS、AFM等分析表征铂钨共掺后IWO薄膜的结构、化学价态以及表面粗糙度等的变化。为了理解高价态元素（Mo或W）掺杂与传统的Sn掺杂In2O3的差别，首次采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，计算了Mo和W掺杂的In2O3体系的电子结构及其能带结构，分析掺杂原子对导带底部态密度的影响，揭示载流子的产生机理。同时也采用固态反应法制备p型SrCu2O2、CuAlO2和CuFeO2陶瓷，并用渠道火化烧蚀技术制备了p型SrCu2O2、CuAlO2和CuFeO2薄膜，采用XRD，AFM分析其结构和表面形貌。研究结果表明：反应直流磁控溅射技术和渠道火花烧蚀技术制备的IMO透明导电薄膜均为多晶的方铁锰矿结构；他们的结晶性均比反应热蒸发的结晶性好。直流磁控溅射制备的IMO薄膜的最低电阻率为3.7×10-4ohm·cm，载流子迁移率最高为50cm2V-1s-1；CSA制备的IMO最低电阻率达到4.8×10-4ohm·cm，载流子迁移率最高为49.6cm2V-1s-1。IMO薄膜在可见光区平均透射率大于80％。首次开发了新型高迁移率IWO薄膜；IWO薄膜的最佳电阻率为2.7×10-4ohm·cm，最高载流子迁移率为57cm2V-1s-1；其可见光透射率大于80％，有效直接光学带隙大于3.9 eV，电子载流子的约化有效质量mVC*为0.54me。掺入W后薄膜迁移率均大于未掺杂的In2O3薄膜的迁移率。在IWO薄膜中，W原子替代了In2O3晶格中的In原子的位置，没有形成新的化合物，也没有改变In2O3的方铁锰矿晶格结构。在低的溅射电流沉积的IWO中W以W6+形式存在；而在高的溅射电流沉积IWO中W以W6+和W4+共存。IWO薄膜中的结晶最佳取向为（222）或（400），两者的相对强弱与氧分压、掺杂含量、衬底温度、溅射电流以及工作压强等工艺参数密切相关。直流反应磁控溅射室温制备的IMO薄膜是非晶态结构组织，薄膜的表面平整光滑。室温沉积的IMO薄膜的光电性能对沉积过程的氧分压非常敏感。最佳的电阻率低至5.9×10-4ohm·cm，载流子迁移率为20.2 cm2V-1s-1；其可见光透射率大于80％。首次通过共掺在IWO薄膜上生长一层10nm In2O3：Pt，W表面修饰层后，薄膜的表面功函数增加到5.5 eV，表面功函数增加了0.8 eV，能够与有机发光器件的空穴输运层的HOMO相匹配。调制前、后的IWO薄膜表面粗糙度基本没有变化。Pt在调制层中以Pt2+和Pt0存在。In2O3：Pt，W／IWO薄膜的可见光平均透射率大于80％，其有效光学禁带宽度为3.97 eV。计算结果说明，未掺杂的In2O3的价带顶主要源于O的2p态的贡献，导带底主要源于In的5s态的贡献；掺杂对价带顶没有显著影响，而对导带底有着较大的影响，In2O3：Sn的导带底主要源于Sn和In的5s态的贡献，IWO和IMO的导带底分别主要源于掺杂原子W的5d态和Mo的4d态的贡献；要获得相同的载流子浓度，掺杂W和Mo的浓度可远小于Sn的浓度；能够有效的减少薄膜中电离杂质和电中性杂质散射中心，导致薄膜中高的载流子迁移率。W和Mo是获得高迁移率In2O3有利的掺杂元素。固态反应法获得的p型SrCu2O2、CuAlO2和CuFeO2陶瓷的电阻率分别为200ohm·cm，56ohm·cm和21ohm·cm；渠道火花烧蚀技术成功的制备了p型透明导电SrCu2O2、CuAlO2和CuFeO2薄膜；CuAlO2薄膜具有相对较好的光学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 透明导电薄膜研究现状
• 1.2.1 二元透明导电薄膜
• 1.2.2 多元及多元-多元复合体系透明导电薄膜
• 1.2.3 室温沉积TCO薄膜
• 1.2.4 p型透明导电薄膜研究现状
• 1.2.5 透明电子器件
• 1.3 透明导电薄膜中载流子的迁移率
• 1.4 透明导电薄膜表面功函数的改性
• 1.5 透明导电氧化物的第一性原理研究
• 1.6 透明导电薄膜的制备方法及应用
• 1.6.1 透明导电薄膜的制备方法
• 1.6.2 透明导电薄膜的应用
• 1.7 本课题的研究内容及意义
• 2 薄膜制备及表征方法
• 2.1 制备方法及原理
• 2.1.1 直流反应磁控溅射
• 2.1.2 渠道火花烧蚀
• 2.2 表征方法及原理
• 2.2.1 薄膜透射率
• 2.2.2 薄膜厚度
• 2.2.3 薄膜电学测试
• 2.2.4 薄膜微结构分析原理及方法
• 3 透明导电IMO薄膜的研究
• 3.1 直流反应磁控溅射IMO薄膜的研究
• 3.1.1 IMO薄膜的结构
• 3.1.2 IMO薄膜的光电性能
• 3.1.3 IMO薄膜的导电机理
• 3.2 CSA生长IMO薄膜的研究
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 CSA沉积IMO薄膜的晶体结构
• 3.2.3 CSA沉积IMO薄膜的光电性质
• 3.2.4 CSA沉积IMO薄膜的功函数
• 3.3 小结
• 2O₃∶W的研究'>4 透明导电薄膜In₂O₃∶W的研究
• 4.1 IWO薄膜结构及表面形貌
• 4.2 IWO薄膜成分及化学位移
• 4.3 IWO薄膜的电学特性
• 4.4 IWO薄膜的光学特性
• 4.4.1 沉积参数对IWO薄膜投射率的影响
• 4.4.2 IWO薄膜的光学禁带宽度
• 4.5 小结
• 5 直流反应磁控溅射室温沉积IMO薄膜
• 5.1 室温沉积IMO薄膜结构特性
• 5.2 室温沉积IMO薄膜的电学性能
• 5.3 室温沉积IMO薄膜的光学性能
• 5.4 小结
• 6 IWO薄膜表面功函数的改性
• 6.1 实验方法
• 6.2 IWO表面功函数的调制
• 6.3 InO∶Pt,W/IWO薄膜的光电特性及物化结构
• 6.4 小结
• 2O₃基透明导电薄膜的第一性原理研究'>7 In₂O₃基透明导电薄膜的第一性原理研究
• 7.1 密度泛函理论（Density Functional Theory DFT）
• 7.2 理论模型和计算方法
• 7.3 计算结果与讨论
• 7.4 小结
• 8 p型透明半导体氧化物的研究
• 8.1 p型透明导电氧化物靶材的制备
• 2O₂靶材的制备'>8.1.1 p-SrCu₂O₂靶材的制备
• 2靶材的制备'>8.1.2 p-CuAlO₂靶材的制备
• 2靶材的制备'>8.1.3 p-CuFeO₂靶材的制备
• 8.2 p型透明导电薄膜的制备
• 2O₂薄膜的制备'>8.2.1 p-SrCu₂O₂薄膜的制备
• 2薄膜的制备'>8.2.2 p-CuAlO₂薄膜的制备
• 2薄膜的制备'>8.2.3 p-CuFeO₂薄膜的制备
• 8.3 小结
• 9 全文结论
• 参考文献
• 致谢