掺铝氧化锌透明导电膜的制备与性能研究

论文摘要

掺铝氧化锌（AZO）透明导电薄膜作为一种性能优异的多功能材料引起了研究人员的普遍关注，被认为是当前极具发展潜力的传统铟锡氧化物（ITO）薄膜的替代者。本文采用AZO陶瓷靶材，运用射频磁控溅射法制备了AZO薄膜，用XRD、FE-SEM、四探针测试仪、紫外-可见分光光度计、台阶仪对薄膜的结构与性能进行表征和分析，研究了不同工艺参数对薄膜结构，形貌，电学，光学性能的影响。主要结论如下：（l）研究了衬底温度对AZO薄膜的结构和光电性能的影响。随着衬底温度升高，AZO薄膜（002）面的衍射峰明显增高，在较低的衬底温度下，易于凝聚成一种无择优取向的多晶态薄膜；随着衬底温度的升高，薄膜电学性能得到改善，薄膜电阻率逐渐降低；随衬底温度增加，薄膜的透过率略有增高。薄膜的沉积速率在8.9-10nm/min范围内，随温度变化不明显。（2）研究了溅射功率对AZO薄膜结构和光电性能的影响。在不同的溅射功率条件下制备ZnO:Al薄膜， X射线衍射峰强度随溅射功率增加而增强，但是功率过高会导致薄膜结晶性能变差；随着功率的增加，薄膜的电阻率减小，溅射功率为300W时，电阻率达到最小值8.94×10-3Ωcm；随着功率的增加，薄膜的平均透过率有所降低，溅射功率对薄膜的禁带宽度影响不大。单位功率的沉积速率没有明显的规律，今后的工作将做进一步的探索。（3）研究了工作压力对AZO薄膜结构和光电性能的影响。随着Ar气压的升高，薄膜结构变得疏松，颗粒尺寸变小，颗粒间界面增多，表面粗糙度增大；薄膜的电阻率随着溅射气压的增加而增大，在0.3Pa时得到电阻率最低,为1.37×10-3cm；溅射气压对薄膜的可见光透过率影响不是很大。沉积速率随工作压力的增加而略有增加，原因是气压适当提高，反应室内的等离子体密度增大，活性粒子增多，从而提高沉积速率。（4）研究了溅射时间对AZO薄膜结构和性能的影响。随着溅射时间的增加，样品的（002）峰先增强后减弱，薄膜的晶体结构发生了变化。随着镀膜时间的增加，薄膜电阻率先呈现减小趋势，当薄膜时间为120min时，薄膜电阻率达到最小值，为1.23×10-2cm。此后，随着镀膜时间的增加，薄膜的电阻率反而呈现出增加趋势；随着镀膜时间的增加，可见光波段的平均透过率呈现逐步降低的趋势，且与镀膜时间具有良好的线性关系。同时随着溅射时间的增加AZO薄膜的短波吸收限向可见光方向移动，由本征吸收条件可知，薄膜的禁带宽度是变小了。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 透明导电氧化物薄膜概述
• 1.1.1 氧化锌的晶体结构
• 1.1.2 ZnO 的导电机理与掺杂
• 1.1.3 AZO 的晶体结构与光电性质
• 1.1.4 AZO 在透明导电膜方面的应用
• 1.2 AZO 薄膜的制备方法
• 1.2.1 磁控溅射法
• 1.2.2 脉冲激光沉积法
• 1.2.3 溶胶-凝胶法
• 1.2.4 真空蒸渡法
• 1.2.5 化学气相沉积法
• 1.2.6 其他制备法
• 1.3 AZO 薄膜要解决的问题
• 1.4 问题的提出及本文研究的主要内容
• 第二章 薄膜制备的理论基础
• 2.1 磁控溅射镀膜原理
• 2.1.1 辉光放电原理
• 2.1.2 磁控溅射的镀膜过程
• 2.2 薄膜生长理论
• 2.2.1 薄膜生长模式
• 2.2.2 薄膜生长过程
• 2.2.3 薄膜生长模型
• 第三章 薄膜的制备与测试
• 3.1 实验装置及主要工艺参数
• 3.2 实验材料
• 3.3 玻璃基片的清洗
• 3.4 样品性能测试
• 3.4.1 四探针法
• 3.4.2 紫外/可见分光光度计
• 3.4.3 扫描电子显微镜
• 3.4.4 X 射线衍射分析
• 3.4.5 台阶仪
• 第四章 工艺参数对薄膜结构与光电性能的影响
• 4.1 衬底温度对 AZO 薄膜结构与光电性能的影响
• 4.1.1 衬底温度对 AZO 薄膜结构与形貌的影响
• 4.1.2 衬底温度对 AZO 薄膜电性能的影响
• 4.1.3 衬底温度对 AZO 薄膜光学性能的影响
• 4.2 溅射功率对 AZO 薄膜结构与光电性能的影响
• 4.2.1 溅射功率对 AZO 薄膜结构与形貌的影响
• 4.2.2 溅射功率对 AZO 薄膜电性能的影响
• 4.2.3 溅射功率对 AZO 薄膜光学性能的影响
• 4.3 工作压力对 AZO 薄膜结构与光电性能的影响
• 4.3.1 工作压力对 AZO 薄膜结构与形貌的影响
• 4.3.2 工作压力对 AZO 薄膜电性能的影响
• 4.3.3 工作压力对 AZO 薄膜光学性能的影响
• 4.4 镀膜时间对 AZO 薄膜结构与光电性能的影响
• 4.4.1 镀膜时间对 AZO 薄膜结构与形貌的影响
• 4.4.2 镀膜时间对 AZO 薄膜电性能的影响
• 4.4.3 镀膜时间对 AZO 薄膜光学性能的影响
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢