共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备及性能研究

论文摘要

透明导电氧化物薄膜具有优良的性能,是一种重要的光电薄膜。随着科学技术研究的不断深入和高新技术及现代国防的需要,透明导电薄膜将会在新型的电子薄膜材料中占有重要的地位。氧化铟锡（ITO）薄膜及其掺杂体系是研究最多的一种透明导电材料,这种薄膜具有透过率高、电阻率低、易刻蚀和易低温制备等优点,已得到大规模的工业化生产与应用。铟（In）是一种稀有元素且有毒,市场对透明导电薄膜的巨大需求和In资源的极度稀缺成为巨大反差。近年来出现的氧化锌（ZnO）薄膜是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带氧化物半导体材料,其原材料丰富、价格低廉、无毒、化学性质稳定。经掺杂后的ZnO薄膜具有优良的光电性质,成为最有竞争力的透明导电薄膜。采用直流磁控溅射法在载波片上制备了Al-Zr共掺杂ZnO透明导电薄膜,用XRD和SEM分析和观察了薄膜样品的组织结构和表面形貌。研究了溅射功率、溅射压强、溅射时间、靶基距对薄膜的结构、光学和电学性能的影响。结果表明,制备的Al-Zr共掺杂ZnO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有C轴择优取向。在最优制备参数下制备的样品薄膜的电阻率有最小值1.05×10-3Ω·cm,在可见光区（500～800nm）平均透过率超过90%。采用直流磁控溅射法在载玻片上制备了Zr-Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜,用XRD和SEM分析和观察了薄膜样品的组织结构和表面形貌。研究了制备参数对薄膜样品微结构、光学和电学性能的影响。结果表明,制备的Zr-Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有C轴择优取向。在最优制备的样品薄膜的电阻率有最小值1.98×10-4Ω·cm,在可见光区（500-800 nm）平均透过率超过90%。Zr-Ga共掺杂ZnO薄膜的光学带隙明显大于纯净ZnO的光学带隙（3.34 eV）。所制备的Zr-Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜具有优良的光学和电学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO透明导电薄膜及其掺杂体系
• 1.3 ZnO基透明导电薄膜的应用
• 1.4 ZnO基薄膜的制备方法
• 1.4.1 溶胶-凝胶法
• 1.4.2 化学气相沉积法
• 1.4.3 喷涂热分解法
• 1.4.4 分子束外延
• 1.4.5 溅射镀膜法
• 1.5 多晶薄膜的生长模式与机理
• 1.5.1 多晶薄膜的形成
• 1.5.2 多晶薄膜的晶粒间界
• 1.5.3 多晶薄膜中的微观缺陷
• 1.6 溅射的基本理论
• 1.6.1 磁控溅射法制备薄膜原理
• 1.6.2 影响磁控溅射法制备薄膜质量的主要因素
• 1.7 主要研究内容
• 第二章 Al-Zr共掺杂ZnO透明导电薄膜的微结构及性能
• 2.1 共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备
• 2.1.1 磁控溅射装置
• 2.1.2 实验所用靶材
• 2.1.3 基底材料及预处理方法
• 2.2 薄膜样品的结构与性能分析方法
• 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 样品薄膜厚度的测量
• 2.2.5 薄膜样品的电学性能测量
• 2.3 溅射压强对Al-Zr共掺杂ZnO薄膜的影响
• 2.3.1 溅射压强对AZZO薄膜结构特性的影响
• 2.3.2 溅射压强与AZZO薄膜沉积速率的关系
• 2.3.3 溅射压强对AZZO薄膜表面形貌的影响
• 2.3.4 溅射压强对AZZO薄膜光学性能的影响
• 2.3.5 溅射压强对AZZO薄膜电学性能的影响
• 2.4 溅射功率对Al-Zr共掺杂ZnO薄膜的影响
• 2.4.1 溅射功率对AZZO薄膜结构特性的影响
• 2.4.2 溅射功率对AZZO薄膜表面形貌的影响
• 2.4.3 溅射功率对AZZO薄膜光学性能的影响
• 2.4.4 溅射功率对AZZO薄膜电学性能的影响
• 2.5 靶基距对Al-Zr共掺杂ZnO薄膜的影响
• 2.5.1 靶基距对AZZO薄膜表面形貌的影响
• 2.5.2 靶基距对AZZO薄膜结构特性的影响
• 2.5.3 靶基距与AZZO薄膜沉积速率的关系
• 2.5.4 靶基距对AZZO薄膜光学性能的影响
• 2.5.5 靶基距对AZZO薄膜电学性能的影响
• 2.6 薄膜厚度对Al-Zr共掺杂ZnO薄膜的影响
• 2.6.1 溅射时间与AZZO薄膜厚度的关系
• 2.6.2 薄膜厚度对AZZO薄膜结构特性的影响
• 2.6.3 薄膜厚度对AZZO薄膜表面形貌的影响
• 2.6.4 薄膜厚度对AZZO薄膜光学性能的影响
• 2.6.5 薄膜厚度对AZZO薄膜电学性能的影响
• 2.7 本章小结
• 第三章 Zr-Ga共掺杂Zn0透明导电薄膜的微结构及性能
• 3.1 Zr-Ga共掺杂ZnO薄膜的制备
• 3.2 溅射压强对Zr-Ga共掺杂ZnO薄膜的影响
• 3.2.1 溅射压强对ZGZO薄膜结构特性的影响
• 3.2.2 溅射压强对ZGZO薄膜表面形貌的影响
• 3.2.3 溅射压强对ZGZO薄膜光学性能的影响
• 3.2.4 溅射压强对ZGZO薄膜电学性能的影响
• 3.3 溅射功率对Zr-Ga共掺杂ZnO薄膜的影响
• 3.3.1 溅射功率对ZGZO薄膜结构特性的影响
• 3.3.2 溅射功率对ZGZO薄膜表面形貌的影响
• 3.3.3 溅射功率对ZGZO薄膜光学性能的影响
• 3.3.4 溅射功率ZGZO薄膜电学性能的影响
• 3.4 靶基距对Zr-Ga共掺杂ZnO薄膜的影响
• 3.4.1 靶基距对ZGZO薄膜结构特性的影响
• 3.4.2 靶基距对ZGZO薄膜表面形貌的影响
• 3.4.3 靶基距对ZGZO薄膜光学性能的影响
• 3.4.4 靶基距对ZGZO薄膜电学性能的影响
• 3.5 薄膜厚度对Zr-Ga共掺杂ZnO薄膜的影响
• 3.5.2 薄膜厚度对ZGZO薄膜结构特性的影响
• 3.5.3 薄膜厚度对ZGZO薄膜表面形貌的影响
• 3.5.4 薄膜厚度对ZGZO薄膜光学性能的影响
• 3.5.5 薄膜厚度对ZGZO薄膜电学性能的影响
• 3.6 基底负偏压对Zr-Ga共掺杂ZnO薄膜的影响
• 3.6.1 基底偏压对ZGZO薄膜结构特性的影响
• 3.6.2 基底偏压对ZGZO薄膜表面形貌的影响
• 3.6.3 基底偏压对ZGZO薄膜光学性能的影响
• 3.6.4 基底偏压对ZGZO薄膜电学性能的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在学期间公开发表论文及著作情况
• 致谢