脉冲激光沉积CdO和ZnO基薄膜及其光电性能研究

论文摘要

透明导电氧化物（TCOs）薄膜具有高的电导率和高的光透过率,因而成为了科研和工业上的重点研究课题。重点体现在TCOs作为透明导电电极在光电子太阳能,平板显示,有机发光二极管等领域都有大量应用。其中,Sn掺杂In2O3（ITO）是应用最为广泛的材料。但是由于金属铟的匮乏及高昂的价格,限制了其在透明电极的应用,因而急需寻求新的替代材料。这种替代材料的电阻率（ρ）应该在～10-3Ωcm数量级或更小,在近紫外-可见光范围内的透过率大于80%。目前,掺杂的CdO和ZnO薄膜是替代ITO的最佳选择,因为它们的电阻率都较低（10-4Ωcm数量级）,在500-600 nm可见光范围内的平均透光率达到85%,而且它们原材料价格低廉,可以大规模生产。CdO基和ZnO基薄膜都可广泛应用于显示、探测器、抗反射涂层、气敏传感器、光电、电致变色器件等领域。因此,研究CdO基和ZnO基透明导电氧化物薄膜的光学和电学性能具有重要的意义。综上所述,本论文从两个基本点出发：一、如何进一步降低薄膜的电阻率；如何有效的改变薄膜的禁带宽度。重点研究了不同In、Sn含量掺杂CdO薄膜的结构、形貌、电学以及光学性质。另外,ZnO与CdO都是同一族氧化物半导体,它们具有相似的半导体特性,所以本文对掺杂的ZnO基薄膜及与CdO的复合薄膜也进行了深入的研究和探讨。利用X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对薄膜的成分和微观组织进行了分析和观察；利用紫外一可见光分光光度计、光致发光和霍尔效应仪对薄膜的光学和电学性能进行了表征。1.利用脉冲激光沉积法在石英玻璃基底上制备铟掺杂氧化镉薄膜（In-CdO）,氧气气氛压强为10Pa,基底温度为300℃,靶材为铟镉合金靶。研究了不同In含量掺杂对In-CdO薄膜的结构、光学和电学性能影响。与未掺杂CdO薄膜相比较,3.8at%In掺杂的In-CdO薄膜在可见光区域内具有高的光学透过率,明显变宽的直接禁带宽度（2.97eV）,高的载流子浓度和低的电阻率。但是,当掺杂In含量进一步增加到5.5 at%时,In-CdO薄膜中有In203相出现,In203会增加对电子的散射从而导致了In-CdO薄膜的光学和电学性能下降。2.通过脉冲激光法在石英玻璃基底上沉积了锡掺杂氧化镉（Sn-CdO）透明导电薄膜,制备工艺与In-CdO薄膜基本相同。用X射线衍射,场发射扫描电子显微镜,紫外-可见光分光光度计和霍尔效应仪检测了薄膜的结构、光学和电学性能。结果表明Sn的掺杂提高了薄膜[111]方向的择优生长,而且促使了（200）晶面衍射角增大。Sn-CdO薄膜的光学禁带宽度随着Sn掺杂含量的增加而变宽。另外,适量的Sn掺杂可以明显改善CdO薄膜的电学性能,比如2.9at%Sn掺杂CdO薄膜的电阻率是未掺杂薄膜的十二分之一,载流子浓度是未掺杂的十三倍。在550nm波长处,含量为2.9 at%的Sn掺杂CdO薄膜具有最佳的性能指数,达到3.5×10-3Ω-1,这个数值非常接近ITO的性能指数（4.2×10-3Ω-1）。因而光学和电学性能的改良使得Sn-CdO薄膜作为透明导电材料具有重要的应用价值。3.三元半导体Zn1-xCdxO薄膜通过脉冲激光法沉积在石英玻璃基底上。镉含量,x=Cd/（Cd+Zn）,从0增加到0.23。XRD图谱分析所有Zn1-xCdxO薄膜都具有c轴取向的六方纤锌矿结构,而且c轴晶格常数随着x的增加而增加。原子力显微镜观察到随着x的增加Zn1-xCdxO薄膜的晶粒尺寸逐渐减小。光致发光和透过率测量都证实随着x的增加,薄膜的禁带宽度从3.27 eV降低到了2.78 eV,同时导致了光致发光峰半高宽的变大。在电学性能方面,Zn1-xCdxO薄膜的电阻率随Cd含量x的增加逐渐降低。光致发光峰迁移到了可见光范围内,结合其低的电阻率,使得Zn1-xCdxO薄膜可以应用在可见光发光二极管及其它高效率的光电子器件。4.通过脉冲激光法在石英玻璃基底上沉积了四元Zn0.86Cd0.11In0.03O合金半导体薄膜。其中,Cd的掺杂是用来改变ZnO的光学禁带宽度,1n是用来提高载流子浓度的。XRD分析证实Zn0.86Cd0.11In0.03O具有六方纤锌矿结构而没有其它相（如CdO和In203相）出现。场发射扫描电子显微镜观察到Zn0.86Cd0.11In0.03O薄膜的晶粒尺寸要比未掺杂ZnO的小。所有薄膜在可见光范围内都有很高的透过率（～85%）。最重要的是,在保持了Zn1-xCdxO薄膜的光学特性外,Zn0.86Cd0.11In0.03O薄膜的电学性能得到了改善,低的电阻率（4.42×10-3Ωcm）和高的载流子浓度（5.50x1019cm-3）,使得它比Zn1-xCdxO薄膜更具应用价值。5.本实验通过脉冲激光沉积法首次制备了ZnO/CdO复合薄膜。X射线衍射、光致发光和电阻率测量分析了薄膜的结构、光学和电学性能。光致发光谱表明所有ZnO/CdO复合薄膜都具有相同的PL发光峰,保持了未掺杂ZnO的发光特性。同时,复合薄膜的电阻率大大的下降了几个数量级,接近了纯CdO薄膜的电阻率。这可以用Matthiessen公式来解释。与传统掺杂方法相比,本实验制备的ZnO/CdO复合薄膜可同时具有ZnO的发光特性和CdO的电学特性,从而获得单一TCO材料所不具备的性能,满足某些特殊需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 透明导电薄膜介绍
• 1.2.1 TCOs电学性质
• 1.2.2 TCOs光学性质
• 1.2.3 TCOs材料的发展趋势
• 1.2.4 TCOs的应用
• 1.3 CdO薄膜的结构与光电特性
• 1.3.1 CdO的结构性质
• 1.3.2 CdO薄膜的电学性质
• 1.3.3 CdO薄膜的光学性质
• 1.4 ZnO薄膜的结构与光电特性
• 1.4.1 ZnO薄膜的结构性质
• 1.4.2 ZnO薄膜的电学性质
• 1.4.3 ZnO薄膜的光学性质
• 1.5 薄膜制备方法
• 1.5.1 溅射镀膜
• 1.5.2 喷涂热分解法
• 1.5.3 溶胶-凝胶法
• 1.5.4 真空蒸镀膜法
• 1.5.5 脉冲激光沉积技术
• 1.6 选题意义与研究内容
• 第2章 实验内容及表征方法
• 2.1 实验设备
• 2.2 实验材料
• 2.3 实验方案
• 2.4 薄膜的分析和光电性能的表征
• 2.4.1 薄膜的结构与成分分析
• 2.4.2 薄膜形貌分析
• 2.4.3 电学性能
• 2.4.4 光学性能
• 第3章 In掺杂CdO透明导电薄膜的光电性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 In-CdO薄膜的结构分析
• 3.2.2 In-CdO薄膜的电学性质
• 3.2.3 In-CdO薄膜的光学性质
• 3.3 本章小结
• 第4章 Sn掺杂CdO透明导电薄膜的光电性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 Sn-CdO薄膜的结构分析
• 4.2.2 Sn-CdO薄膜的电学性质
• 4.2.3 Sn-CdO薄膜的光学性质
• 4.3 透明导电薄膜的性能指数
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 1-xCd_xO薄膜的制备及其光电性能研究'>第5章 Zn_1-xCd_xO薄膜的制备及其光电性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验结果与讨论
• 1-xCd_xO薄膜的结构分析'>5.2.1 Zn_1-xCd_xO薄膜的结构分析
• 1-xCd_xO薄膜的光学性质'>5.2.2 Zn_1-xCd_xO薄膜的光学性质
• 1-xCd_xO薄膜的电学性质'>5.2.3 Zn_1-xCd_xO薄膜的电学性质
• 5.3 本章小结
• 第6章 In+Cd共掺杂ZnO薄膜的光电性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验结果和讨论
• 0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的结构分析'>6.2.1 Zn_0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的结构分析
• 0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的XPS分析'>6.2.2 Zn_0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的XPS分析
• 0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的电学性质'>6.2.3 Zn_0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的电学性质
• 0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的光学性质'>6.2.4 Zn_0.86Cd_0.11In_0.03O薄膜的光学性质
• 6.3 本章小结
• 第7章 ZnO/CdO复合薄膜的制备及其光电性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验过程
• 7.3 实验结果和讨论
• 7.3.1 ZnO/CdO薄膜的结构分析
• 7.3.2 ZnO/CdO薄膜的光学性能
• 7.3.3 ZnO/CdO薄膜的电学性能
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 作者简介
• 在学期间所取得的科研成果
• 致谢