ZAO靶材及薄膜的研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种具有六方纤锌矿晶体结构的宽禁带II-VI族半导体材料,由于其优良的特性,在太阳能电池、紫外探测器、声表面波器件、气敏传感器、透明电极等方面得到了广泛的应用。近年来,由于Al掺杂的ZnO薄膜（ZAO）具有与ITO薄膜相比拟的光电性能（可见光区高透射率和低电阻率）,又因其价格较低以及在氢等离子体中的高稳定性等优点,已经成为替代昂贵的ITO薄膜的首选材料和当前透明导电薄膜领域的研究热点之一。溅射法制备ZAO薄膜通常使用ZAO陶瓷靶。但由于国外的技术封锁和产业进入资金门槛很高,目前国内不能生产高质量ZAO靶材。而国外企业资金雄厚、技术积累丰富,在ZAO靶材的研究上已经遥遥领先于中国。本论文对纳米ZnO粉末、ZAO靶材及薄膜的制备进行了研究,重点研究了纳米粉末制备过程中粉体团聚问题、团聚体形态对靶材性能的影响及氧氩比对ZAO薄膜性能的影响,主要结论如下:以氨水为沉淀剂,最佳工艺为:氨水浓度和锌盐浓度固定为1mol/l,终点pH值为5,温度为70℃,反应时间2小时,蒸馏水离心洗涤、冷冻干燥,其前驱体为正交结构Zn（OH）2,经400℃煅烧2小时可得粒度分布窄、分散性好的球形六方结构纳米ZnO粉末,一次粒径约为50nm,二次粒径为200300 nm。pH值对纳米ZnO颗粒的一次粒径有较大影响,且当终点pH值为5时,可获得最小粒径的纳米ZnO。使用分散剂可以大大减少粉体的团聚现象,且当聚乙二醇-400用量为0.05mol/l时效果最好,但由于会引入新的杂质,不适宜制备高纯ZnO。采用乙醇洗涤后烘干可以部分消除粉体的团聚现象,而蒸馏水洗涤后冷冻干燥效果更好,粉末粒径分布窄,分散性好,更适合大规模工业生产。ZAO靶材的最佳烧结工艺为:（Ⅰ）脱脂:以20h缓慢从室温升至500℃。（Ⅱ）升温一:以5℃/min升温至800℃。（Ⅲ）升温二:以100℃/h升温至1200℃。（Ⅳ）恒温:在1400℃保温2小时。（Ⅴ）降温一:以100℃/h降温至800℃。（Ⅵ）降温二:炉冷至常温。当ZAO靶材在1400℃保温2小时可以获得密度较高且电阻较低ZAO靶材。在10001200℃烧结过程中,ZnO相和ZnAl2O4相形成固溶体,较小的Al3+离子取代Zn2+离子,形成的氧空位是靶材低电阻率的主要原因。粉末分布越窄,团聚体颗粒越细小,烧结时气孔越少,也越小,晶粒也较为细小,所制备得到靶材的致密度越高,缺陷越少,电阻率越低。对比试验表明通过直接沉淀法,蒸馏水洗涤并真空冷冻干燥得到的球形纳米ZnO最适合用于制备高致密度、低电阻率ZAO靶材。通过直流磁控溅射法制备了厚度均匀、电阻率为10-4Ω·cm数量级的具有一定C轴择优取向ZAO薄膜,有很强的（002）衍射峰和较弱的（101）衍射峰,且（002）衍射峰的衍射角向低角度方向移动。沉积的ZAO薄膜在紫外光区透过率基本低于20%,而可见光区平均透过率近90%,具有良好的光学性能。不同氧氩比对薄膜的光学性能没有显著影响,在可见光区平均透过率均超过85%,但是对薄膜的电学性能有重要影响,当氧氩比为0.1%时,导电性最好,电阻率为5.3×10-4Ω·cm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米 ZnO 粉末的研究
• 1.3 ZAO 薄膜的研究
• 1.4 本课题的研究目的及研究内容
• 2 实验工艺路线与研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 直接沉淀法制备纳米氧化锌
• 2.3 ZAO 靶材的制备
• 2.4 直流磁控溅射法制备ZAO 薄膜
• 2.5 试验试剂及仪器
• 2.6 表征与分析
• 3 纳米 ZnO 制备与粒径的控制
• 3.1 实验结果与讨论
• 3.2 本章小结
• 4 ZAO 靶材及薄膜的制备与表征
• 4.1 ZAO 靶材的制备与表征
• 4.2 ZAO 单层膜的制备与表征
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献