ZnO/metal/ZnO结构透明导电薄膜的研究

论文摘要

透明导电薄膜因其具有低电阻率和在可见光范围内较高的透光率等优异性能,可应用于许多光电器件,比如液晶显示、太阳能电池、热镜和表面声波器件等领域获。现阶段应用的较多的是氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜,但是ITO薄膜由于其成本较高和对环境的污染以及对人体的危害,限制了它的发展。ZnO是一种直接带隙半导体材料,在光电器件领域具有较大的应用前景,且ZnO的成本相对较低,对环境友好,基本不存在危害。因此,ZnO透明导电薄膜的研究发展备受关注。目前,ZnO的研究领域主要集中在ZnO:Al,对于ZnO/metal/ZnO结构的复合薄膜研究的不是很多,该结构的复合薄膜具有很低的电阻率,且两层ZnO具有增透效果。本论文综合论述了透明导电薄膜尤其是ZnO薄膜的研究进展及应用前景,利用纳米夹层技术,制取了ZnO/metal/ZnO（ZnO/Al/ZnO,ZnO/In/ZnO）结构的透明导电薄膜。通过改变ZnO薄膜与金属层膜的膜厚以及热处理温度等工艺参数,采用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、紫外-可见分光光谱仪、霍尔测试仪对ZnO/metal/ZnO薄膜的晶体结构、光学性质、电学性质等进行了分析和讨论。在ZnO/metal/ZnO结构中,薄膜的性能极其容易受金属层和ZnO层性质的影响,因此,本研究分为3个阶段:首先,制取了高质量的ZnO薄膜,讨论了不同厚度ZnO薄膜的结构和光电性质;其次,研究了不同厚度的Al膜和In膜的结构、光学性质和电学性质;最后,基于前面两项的研究,选择了最佳的实验参数分别制取了ZnO/Al/ZnO以及ZnO/In/ZnO薄膜,研究了ZnO以及Al、In金属层的厚度,样品的热处理温度对ZnO/metal/ZnO膜性能的影响。实验结果表明,在ZnO/metal/ZnO结构中,若金属层过薄,ZnO层过厚,则其导电性较差;若金属层过厚,虽有利于降低其电阻率,但透光性急剧下降,可见透光性能与导电性能是一对矛盾,寻找最佳的ZnO厚度以及金属层厚度是研究ZnO/metal/ZnO多层膜的关键。通过实验数据分析发现,ZnO/Al/ZnO薄膜的性能与ZnO/In/ZnO薄膜相差不大,薄膜样品ZnO（10nm）/In（5nm）/ZnO（10nm）,在可见光范围内透过性接近80%,电阻率约为4.5×10-3Ohm-cm。但是随着退火温度的升高,可见光透过率变大,但是电阻率急剧增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 透明导电薄膜的种类和特点
• 1.1.2 透明导电薄膜的应用
• 1.1.3 ZnO 基透明导电薄膜的国内外研究现状
• 1.2 薄膜制备方法
• 1.2.1 化学气相沉积
• 1.2.2 分子束外延（MBE）
• 1.2.3 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.2.4 磁控溅射法
• 1.3 本论文的研究内容及意义
• 1.4 本章小结
• 第2章 薄膜的制备理论基础
• 2.1 薄膜制备工艺及原理
• 2.1.1 直流反应磁控溅射制备薄膜技术
• 2.1.2 直流反应磁控溅射系统
• 2.2 薄膜的形成理论
• 2.2.1 凝结形核过程
• 2.2.2 薄膜的生长过程与生长模式
• 2.2.3 磁控溅射的成膜特点
• 2.3 衬底的预处理
• 2.4 薄膜的表征技术
• 2.4.1 薄膜的晶体结构测试
• 2.4.2 薄膜的光学性质测试
• 2.4.3 薄膜表面形貌测试
• 2.4.4 薄膜的表面分析技术
• 2.4.5 薄膜的电学性能测试理论
• 2.4.6 薄膜的沉积速率
• 2.5 本章小结
• 第3章 ZnO、Al、In 薄膜的结构与性能分析
• 3.1 ZnO 薄膜制备与结构性能分析
• 3.1.1 ZnO 薄膜概述与制备
• 3.1.2 ZnO 薄膜的结构分析
• 3.1.3 ZnO 薄膜的光学性能分析
• 3.2 Al、In 膜的制备与结构性能分析
• 3.2.1 Al、In 膜制备与结构性能分析
• 3.2.2 Al 膜、In 膜的光学性能分析
• 3.2.3 Al 膜、In 膜的电学性能分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 ZnO/Al/ZnO 薄膜的结构与性能分析
• 4.1 ZnO/Al/ZnO 薄膜的制备
• 4.2 Al 膜厚度对ZnO/Al/ZnO 薄膜性能的影响
• 4.2.1 Al 膜厚度对ZnO/Al/ZnO 薄膜光学性能的影响
• 4.2.2 Al 膜厚度对ZnO/Al/ZnO 薄膜电学性能的影响
• 4.3 ZnO 厚度对ZnO/Al/ZnO 薄膜性能的影响
• 4.3.1 上下ZnO 膜厚度对ZnO/Al/ZnO 薄膜结构的影响
• 4.3.2 上下ZnO 厚度对ZnO/Al/ZnO 薄膜光学性能的影响
• 4.3.3 上下ZnO 厚度对ZnO/Al/ZnO 薄膜电学性能的影响
• 4.4 热处理温度对ZnO/Al/ZnO 薄膜性能的影响
• 4.4.1 热处理温度对ZnO/Al/ZnO 薄膜结构影响
• 4.4.2 热处理温度对ZnO/Al/ZnO 薄膜光学性能的影响
• 4.4.3 热处理温度对ZnO/Al/ZnO 薄膜电学性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 ZnO/In/ZnO 薄膜的结构与性能分析
• 5.1 ZnO/In/ZnO 薄膜的制备与结构分析
• 5.1.1 ZnO 膜厚度对ZnO/In/ZnO 薄膜结构的影响
• 5.1.2 热处理温度对ZnO/In/ZnO 薄膜结构的影响
• 5.2 ZnO/In/ZnO 薄膜的光学性能研究
• 5.2.1 In 膜厚度对ZnO/In/ZnO 薄膜光学性能的影响
• 5.2.2 ZnO 膜厚度对ZnO/In/ZnO 薄膜光学性能的影响
• 5.2.3 退火温度对ZnO/In/ZnO 薄膜光学性能的影响
• 5.3 ZnO/In/ZnO 薄膜的电学性能研究
• 5.3.1 In 膜厚度对ZnO/In/ZnO 薄膜电学性能的影响
• 5.3.2 ZnO 膜厚度对ZnO/In/ZnO 薄膜电学性能的影响
• 5.3.3 退火温度对ZnO/In/ZnO 薄膜电学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录