ZnO基透明导电膜掺杂性能的研究

论文摘要

透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide, TCO）薄膜是在可见光透明的宽禁带氧化物半导体薄膜材料,广泛应用于各种光电器件,如太阳能电池,平板显示器,气体传感器和低辐射玻璃等,其中氧化锌（ZnO）是最有开发前景的新型材料之一。ZnO因其独特的光电特性,不仅能制成良好的半导体和压电薄膜,也能通过掺杂使其具有良好的导电性,且原料易得、低廉、毒性小、制备方法多种多样,可以适应不同需求。本文分别研究了溶胶-凝胶法制备锡掺杂氧化锌（ZnO:Sn）透明导电薄膜和磁控溅射法制备锂-钨共掺氧化锌薄膜（LWZO）透明导电薄膜,及其掺杂性能。采用溶胶-凝胶法在石英玻璃衬底上制备掺锡氧化锌透明导电薄膜,研究了不同制备工艺参数对ZnO:Sn薄膜结晶度、微观结构、光电特性的影响,探索出最佳制备工艺：60℃水浴搅拌3小时；Zn2+浓度为0.8mol/L; Sn掺杂浓度为2 at.%；陈化时间为5天；300℃空气环境下干燥10min; 700℃温度下退火1小时；匀胶机在3500 r/min下高速旋转30s完成涂覆；镀膜层数为5层。所制备的ZnO:Sn薄膜结晶性能最优,具有c轴择优取向,其表面平整且簇拥生长,平均透过率达到90%以上,电阻率最小仅为13.6 Ω·cm。采用磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备锂、钨共掺氧化锌薄膜。靶材为Li-W共掺ZnO陶瓷靶（99.99%以上,ZnO:Li2O:WO3=97.5:1.5:1）,Ar作为溅射气体,研究了不同衬底温度、不同溅射气压等条件下制备LWZO薄膜,通过利用XRD、SEM、 UV-VIS、FTIR.四探针等测试手段对薄膜进行表征。研究表明：衬底温度为120℃、溅射气压为1 Pa、溅射功率1 50 W、溅射时间为60 min,在此工艺参数的基础上制备的LWZO薄膜,能实现Li-W的有效掺杂,晶粒主要为柱状结构；在可见光范围透过率大于84%,在紫外波段显示明显Burstein-Moss shift效应；具有较高的电导特性,约为10-3Ω.cm量级。此外,在磁控溅射制备LWZO薄膜的工艺基础上,探索了在溅射气体Ar中通入H2,通过改变H2的流量,得到不同H离子浓度掺杂的LWZO:H薄膜。结果发现,适当的H化处理可以有效提高薄膜的结晶性,改善表面形貌,并能提高薄膜的透光率,达到85%,降低薄膜的电阻率,最小达到1.2×10-3Ω.cm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO的晶体结构及基本性质
• 1.3 ZnO的能带结构
• 1.4 ZnO薄膜的掺杂特性研究
• 1.4.1 化合价
• 1.4.2 离子半径
• 1.4.3 电负性
• 1.4.4 氧化态
• 1.4.5 离子外层电子结构
• 1.5 ZnO薄膜的主要应用
• 1.5.1 作为光伏电池的透明电极
• 1.5.2 在发光器件方面的应用
• 1.5.3 作为衬底或缓冲层
• 1.5.4 在压电方面的应用
• 1.5.5 在压敏方面的应用
• 1.5.6 在气敏方面的应用
• 1.6 本课题的提出与论文结构
• 第二章 ZnO基薄膜的制备技术与表征手段
• 2.1 ZnO基薄膜的制备技术
• 2.1.1 溶胶-凝胶法
• 2.1.2 磁控溅射法
• 2.2 ZnO基薄膜的表征手段
• 2.2.1 X射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 紫外-可见分光光度计（UV-VIS）
• 2.2.4 光致发光（PL）光谱
• 2.2.5 四探针法
• 第三章 溶胶-凝胶法制备Sn掺杂ZnO薄膜及其性能研究
• 3.1 溶胶-凝胶法制备Sn掺杂ZnO薄膜的工艺
• 3.1.1 溶胶的制备
• 3.1.2 衬底基片的处理
• 3.1.3 旋涂镀膜工艺
• 3.1.4 热处理
• 3.2 不同工艺条件对Sn掺杂ZnO薄膜性能的影响
• 3.2.1 热处理温度对ZnO：Sn薄膜性能的影响
• 3.2.1.1 热处理温度对ZnO：Sn薄膜结晶性能的影响
• 3.2.1.2 热处理温度对ZnO：Sn薄膜表面形貌的影响
• 3.2.1.3 热处理温度对ZnO：Sn薄膜光学性能的影响
• 3.2.1.4 热处理温度对ZnO：Sn薄膜电学性能的影响
• 3.2.2 掺杂浓度对ZnO：Sn薄膜性能的影响
• 3.2.2.1 掺杂浓度对ZnO：Sn薄膜结晶性能的影响
• 3.2.2.2 掺杂浓度对ZnO：Sn薄膜表面形貌的影响
• 3.2.2.3 掺杂浓度对ZnO：Sn薄膜光学性能的影响
• 3.2.2.4 掺杂浓度对ZnO：Sn薄膜电学性能的影响
• 3.3 小结
• 第四章 磁控溅射法制备Li-W共掺ZnO薄膜及其性能研究
• 4.1 磁控溅射法制备Li-W共掺ZnO薄膜的工艺
• 4.1.1 磁控溅射镀膜设备
• 4.1.2 磁控溅射镀膜工艺流程
• 4.2 不同工艺条件对Li-W共掺ZnO薄膜性能的影响
• 4.2.1 衬底温度对LWZO薄膜性能的影响
• 4.2.1.1 衬底温度对LWZO薄膜结晶性能的影响
• 4.2.1.2 衬底温度对LWZO薄膜表面形貌的影响
• 4.2.1.3 衬底温度对LWZO薄膜光学性能的影响
• 4.2.1.4 衬底温度对LWZO薄膜电学性能的影响
• 4.2.2 溅射气压对LWZO薄膜性能的影响
• 4.2.2.1 溅射气压对LWZO薄膜结晶性能的影响
• 4.2.2.2 溅射气压对LWZO薄膜表面形貌的影响
• 4.2.2.3 溅射气压对LWZO薄膜光学性能的影响
• 4.2.2.4 溅射气压对LWZO薄膜电学性能的影响
• 4.3 氢化处理对Li-W共掺ZnO薄膜性能的影响
• 4.3.1 氢化处理对LWZO薄膜结晶性能的影响
• 4.3.2 氢化处理对LWZO薄膜表面形貌的影响
• 4.3.3 氢化处理对LWZO薄膜光学性能的影响
• 4.3.4 氢化处理对LWZO薄膜电学性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间所取得的科研成果