溶胶—凝胶法制备掺杂ZAO透明导电薄膜的微观结构和光电性能的研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）作为一种宽禁带半导体材料（晶体常数a=0.3250nm,c=0.5206nm,室温下的禁带宽度约为3.30Ev,激子束缚能约为60mev）,具有优异的压电,光电,气敏,压敏等特性,尤其是引入少量杂质通常能诱导明显的电学和光学特性变化。目前通过掺杂来调节或改善其性能是ZnO薄膜研究的热点之。其中以掺铝ZnO薄膜（简称ZAO）的研究最为广泛。制备ZAO薄膜的技术很多,包括射频溅射、分子束外延、电子束反应蒸发沉积以及溶胶.凝胶法等。溶胶-凝胶法具有工艺设备简单,膜均匀性好、化学计量比容易控制、易掺杂和降低成本等优点。本论文采用溶胶-凝胶法浸渍提拉涂膜技术,在石英基片上生长了结晶质量较好,取向性好的ZAO薄膜;并通过多组正交实验设计,摸索薄膜的制备工艺最优化组合,即Al3+掺杂量为1at.%,溶胶浓度为0.8mol/L,涂膜层数八层,500℃还原气氛（N2:H2=96:4）退火得到质量最好的薄膜,薄膜电阻率为1.275×10-3Ω·cm,可见光区平均透光率达到84%;然后为了进一步提高薄膜性能,在ZAO透明导电薄膜中制备过程中又分别掺杂Sn和La元素,制备出两种双掺杂的新型ZAO透明导电薄膜（ZAO:La和ZAO:Sn）。运用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、四探针和紫外-可见分光光度仪等对样品的结构,微观形貌和光电特性进行了表征。结果表明:薄膜有很强的（002）晶面择优取向生长趋势,具有ZnO晶体的六角铅锌矿结构;退火温度越高,X射线（002）晶面衍射峰强度越强,越有利于薄膜晶粒生长,薄膜的晶粒尺寸越大,结晶越完整;ZAO薄膜的电阻率先随Al3+掺杂量的升高而降低,后随Al3+掺杂量的升高而增加;薄膜的电阻率随温度升高而降低,但温度过高电阻率电阻率有下降趋势,还原气氛退火与空气退火相比,使薄膜电阻率降低了约三个数量级;Sn和La元素加入,有利于提高薄膜透光性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO薄膜的基本特性
• 1.2.1 ZnO薄膜结构特性
• 1.2.2 ZnO薄膜导电机理及光电特性
• 1.2.3 薄膜的气敏特性
• 1.2.4 薄膜的压敏特性
• 1.2.5 薄膜的压电特性
• 1.3 ZnO透明导电薄膜的应用
• 1.4 ZnO透明导电薄膜的研究现状
• 1.4.1 ZnO透明导电薄膜的国内研究现状
• 1.4.2 ZnO透明导电薄膜的国外研究现状
• 1.5 ZnO透明导电薄膜的制备技术
• 1.5.1 磁控溅射法
• 1.5.2 喷雾热分解
• 1.5.3 金属有机物化学气相沉积法
• 1.5.4 脉冲激光沉积
• 1.5.5 激光分子束外延
• 1.5.6 溶胶一凝胶法
• 1.5.7 其它方法
• 1.6 课题研究的目的和意义和主要内容
• 1.6.1 课题研究的目的和意义
• 1.6.2 课题研究的主要内容
• 第二章 溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜原理
• 2.1 溶胶-凝胶法制备薄膜技术概述
• 2.1.1 溶胶凝胶法制备薄膜技术的发展过程
• 2.1.2 溶胶凝胶技术的特点
• 2.2 溶胶凝胶法制备薄膜的工艺过程
• 2.2.1 溶胶的制备
• 2.2.2 凝胶制备及原理
• 2.2.3 锻烧和烧结
• 2.3 溶胶一凝胶法制备薄膜的方法
• 2.3.1 提拉法
• 2.3.2 旋转涂覆法
• 2.3.3 喷涂法
• 2.4 溶胶-凝胶法制备薄膜的影响因素
• 2.4.1 水解度
• 2.4.2 催化剂
• 2.4.3 溶胶浓度
• 2.4.4 成胶温度
• 第三章 ZnO薄膜的表征技术
• 3.1 ZnO薄膜的结构分析-X射线衍射（XRD）
• 3.1.1 晶向的标定
• 3.1.2 估算晶粒尺寸
• 3.1.3 计算晶格常数
• 3.1.4 分析薄膜内部应力
• 3.2 ZnO薄膜的表面形貌分析-SEM
• 3.3 ZnO薄膜的电学性能的分析-四探针
• 3.4 ZnO薄膜的光学性能的分析-分光光度仪
• 第四章 掺杂ZAO透明导电薄膜的制备
• 4.1 实验方案
• 4.1.1 制备ZAO薄膜实验设计及结果
• 4.1.2 制备ZAO:La和ZAO:Sn薄膜实验设计
• 4.2 试剂及仪器设备
• 4.2.1 试剂
• 4.2.2 仪器设备
• 4.3 薄膜的制备过程
• 4.3.1 薄膜的制备工艺流程
• 4.3.2 制备溶胶
• 4.3.3 基片的选择
• 4.3.4 基片的清洗
• 4.3.5 提拉法涂膜
• 4.3.6 薄膜的干燥
• 4.3.7 薄膜的预处理
• 4.3.8 薄膜在还原气氛下的退火处理
• 第五章 ZAO薄膜的实验结果及分析
• 3+掺杂量对ZAO薄膜性能的影响'>5.1 Al³⁺掺杂量对ZAO薄膜性能的影响
• 3+掺杂量对ZAO薄膜的结构性能的影响'>5.1.1 Al³⁺掺杂量对ZAO薄膜的结构性能的影响
• 3+掺杂量对ZAO薄膜微观形貌的影响'>5.1.2 Al³⁺掺杂量对ZAO薄膜微观形貌的影响
• 3+掺杂量对ZAO薄膜电阻率的影响'>5.1.3 Al³⁺掺杂量对ZAO薄膜电阻率的影响
• 3+掺杂量对ZAO薄膜透光率的影响'>5.1.4 Al³⁺掺杂量对ZAO薄膜透光率的影响
• 5.2 退火温度对ZAO薄膜性能的影响
• 5.2.1 退火温度对ZAO薄膜的结构性能的影响
• 5.2.2 退火温度对ZAO薄膜的微观形貌的影响
• 5.2.3 退火温度对ZAO薄膜电学性能的影响
• 5.2.4 退火温度对ZAO薄膜光学性能的影响
• 5.3 还原气氛退火对ZAO薄膜电阻率的影响
• 5.4 溶胶浓度对ZAO薄膜性能的影响
• 5.4.1 溶胶浓度对ZAO薄膜微观形貌的影响
• 5.4.2 溶胶浓度对ZAO薄膜电阻率的影响
• 5.5 涂膜层数对ZAO薄膜性能的影响
• 5.5.1 涂膜层数对ZAO薄膜电阻率的影响
• 5.5.2 涂膜层数对ZAO薄膜透光率的影响
• 第六章 ZAO:La和ZAO:Sn薄膜的研究
• 6.1 ZAO:La薄膜的实验结果及分析
• 6.1.1 ZAO:La薄膜结构特性
• 6.1.2 ZAO:La薄膜电阻率
• 6.1.3 ZAO:La薄膜透光率
• 6.2 ZAO:Sn薄膜的性能
• 6.2.1 ZAO:Sn薄膜结构特性
• 6.2.2 ZAO:Sn薄膜电阻率
• 6.2.3 ZAO:Sn薄膜透光率
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文