磁控溅射制备AZO薄膜及其透明导电性质研究

论文摘要

为了寻求一种价格低廉、环保且性能优异的透明导电薄膜材料,本文采用直流反应磁控溅射法以Zn-Al合金靶（Znwt%:Al wt%98.5:1.5）为靶材,在普通玻璃衬底上制备A13+掺杂ZnO（AZO）透明导电薄膜,着重研究了磁控溅射工艺参数（氧氩比、工作气压、溅射功率）和不同退火工艺（温度和气氛）等对AZO薄膜的组织结构和透明导电性能的影响。用XRD、SEM对沉积的AZO薄膜进行了组织结构表征,用HMS-3000型霍尔测试系统和紫外分光光度计对AZO薄膜的电学性能和透射率进行测试,并分析了其影响规律,获得磁控溅射法制备AZO薄膜的优化工艺参数。结果表明,利用直流反应磁控溅射法制备了具有良好透光性和导电特性的AZO薄膜。所制备的AZO薄膜的晶体结构对应于ZnO的（002）晶面的衍射,具有高度的择优取向,A13+掺杂ZnO并没有改变ZnO的晶体结构,薄膜结构仍为ZnO的六角纤锌矿晶体结构。样品表面平整,晶粒较致密,透光率达90%以上,最低电阻率3.665×10-4-Ω.cm。磁控溅射法工艺参数：氧氩比（9.33%-19.33%）、工作气压（0.0Pa-2.5Pa）、溅射功率（70W-170W）等对AZO薄膜的组织结构、光学及电学性能均有很大的影响。氧氩比为9.33%时,因氧流量不足以与锌充分结合形成氧化物膜,仍主要为Zn金属膜,不透明。当氧氩比在11.33%-19.33%时,金属膜转化成氧化物膜。AZO薄膜的电阻率随着氧氩比的增加逐渐增大,随着工作气压的增大而增大,随溅射功率提高而减小。在本研究最近工艺条件下（氧氩比11.33%,工作气压0.5Pa,功率90W）制备的AZO薄膜最小方阻为6.6Ω,最低电阻率3.665×104Ω.cm,可见光谱内透光率达91%。AZO薄膜在真空、Ar气等气氛下退火后电阻率降低,而在O2、N2和空气等气氛下退火后电阻率增加。在Ar气氛下25℃-500℃的范围内退火后,随着退火温度的增加,晶粒尺寸长大,薄膜的透光率稍微提高,电阻率先下降后增高,当退火温度为400℃时,薄膜电阻率降到最低。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO和AZO基本特性
• 1.2.1 ZnO的结构特性
• 1.2.2 ZnO：Al（AZO）薄膜性能
• 1.3 AZO薄膜的主要应用前景
• 1.3.1 光电显示领域中的透明电极
• 1.3.2 电磁屏蔽和防静电膜
• 1.3.3 面发热膜
• 1.3.4 气敏传感器
• 1.3.5 智能窗
• 1.3.6 触摸屏
• 1.3.7 红外隐身材料与热红外反射镜
• 1.3.8 太阳能光电转换领域中的异质结
• 1.4 AZO薄膜的主要制备方法
• 1.4.1 化学气相沉积法
• 1.4.2 喷雾热解法
• 1.4.3 溶胶凝胶（Sol-Gel）法
• 1.4.4 分子束外延法
• 1.4.5 脉冲激光沉积法
• 1.4.6 磁控溅射法
• 1.5 ZnO基薄膜的国内外研究现状
• 1.5.1 ZnO基薄膜的国外研究现状
• 1.5.2 ZnO基薄膜的国内研究现状
• 1.6 本论文的主要研究目的、意义及主要内容
• 1.6.1 研究目的和意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第二章 AZO薄膜的制备方法、试验方法和应力分析
• 2.1 引言
• 2.2 磁控溅射基本原理
• 2.3 AZO薄膜制备及试验流程
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 试验靶材
• 2.3.3 溅射工艺参数选择
• 2.3.4 溅射试验工艺流程
• 2.3.5 AZO薄膜的退火
• 2.4 AZO薄膜的组织结构和性能表征
• 2.4.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 霍尔效应测试
• 2.4.3 透射谱
• 2.4.4 薄膜厚度测量
• 2.4.5 SEM及能谱分析
• 2.5 薄膜应力分析
• 2.5.1 薄膜应力定义和作用
• 2.5.2 AZO薄膜应力形成原因
• 第三章 AZO薄膜组织结构研究
• 3.1 磁控溅射工艺对AZO薄膜结构的影响
• 3.1.1 氧氩比对AZO薄膜结构的影响
• 3.1.2 工作气压对AZO薄膜结构的影响
• 3.1.3 溅射功率对AZO薄膜结构的影响
• 3.2 退火工艺对AZO薄膜结构的影响
• 3.2.1 退火温度对AZO薄膜结构的影响
• 3.2.2 退火气氛对AZO薄膜结构的影响
• 3.3 AZO薄膜表面形貌分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 AZO薄膜光学性能
• 4.1 磁控溅射工艺对AZO薄膜透射谱的影响
• 4.1.1 氧氩比对AZO薄膜透射谱的影响
• 4.1.2 工作气压对AZO薄膜透射谱的影响
• 4.1.3 溅射功率对AZO薄膜透射谱的影响
• 4.2 退火工艺对AZO薄膜透射谱的影响
• 4.2.1 退火温度对AZO薄膜透射谱的影响
• 4.2.2 退火气氛对AZO薄膜透射谱的影响
• 4.3 薄膜折射率和厚度的理论计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 AZO薄膜的电学性质
• 5.1 磁控溅射工艺对AZO薄膜电学性能的影响
• 5.1.1 氧氩比AZO薄膜电学性能的影响
• 5.1.2 工作气压对AZO薄膜电学性能的影响
• 5.1.3 溅射功率对AZO薄膜电学性能的影响
• 5.2 退火工艺对AZO薄膜电学性能的影响
• 5.2.1 退火温度对AZO薄膜电学性能的影响
• 5.2.2 不同退火气氛对AZO薄膜电学性能的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在读期间已发表和录用的论文