金属氧化物ZnO和In2O3的掺杂结构及其溅射靶材研究

论文摘要

金属氧化物ZnO和In203是一类宽禁带材料,广泛应用于光学和光电子、自旋电子学、信息存储以及太阳能电池等众多高技术领域。掺杂改性是进一步提高这类光电子材料的光学、磁学和电学等综合性能最为有效的手段,持续成为研究热点。金属氧化物主要以薄膜形态来应用,利用氧化物陶瓷靶材溅射镀膜是薄膜制备最主要的手段,因此高性能靶材的获得成为这类材料走向应用开发的瓶颈之一。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对ZnO和In203基材分别置换掺杂不同种类和不同浓度异类金属氧化物后的晶体结构、电子结构、光学、磁学等重要物理性质进行了计算和分析；通过粉末冶金技术制备了ZnO:Al、ZnO:Co、ZnO:Mn和ITO靶材样品；对自制的部分陶瓷靶材,进行了射频溅射镀膜初探；运用XRD、ESEM和霍尔测试仪等仪器测试样品的微结构和性质。对ZnO掺杂效应的研究表明,ZnO费米能级随A1元素置换掺杂含量的增大而增大,ZnO的费米能级进入导带,ZnO材料的导电性增强；对于掺杂体系Zn1-xCoxO和Zn1-xMnxO,基于现有计算资源,详细模拟了Zn32-nMnO32 （M=Co、Mn）体系中的掺杂原子构型,考察了掺杂原子取代Zn原子不同位置时形成不同取代构型的结构稳定性。预测计算在资源许可的情况下构建更大的超晶胞,可望从理论上证实磁性原子形成团簇,从而证实实验现象。计算时考虑磁性原子的自旋时,体系总能更低,且反铁磁态是能量稳定态；磁有序掺杂体系为Zn1-xMxO的总能表明,掺杂元素Co或Mn倾向于近邻排列于（0001）面。并且结构稳定时的体系总磁矩趋于零,Co和Mn单原子磁矩分别为2.430μB和4.217μB。对多晶形态的In203的相结构与相变研究表明,广义梯度近似下立方相In203转变为六方相的相变压力值为14.9GPa,而局域密度近似下为10.4GPa,前者接近文献中的实验值范围15～25GPa。GGA和LDA下的能带结构都表明,六方相In203二次带宽Eg2比立方相In203更大,其透光率及导电性等光电性质可望更高。立方相Inl5MO24（M=Fe、Sn）体系中,Fe和Sn掺杂取代In原子均缩小了带宽,Fe 3d电子轨道和Sn 4d电子轨道均使导带底下移。常压烧结法制备得到ZnO:Co和ZnO:Mn两种靶材均具有致密、晶粒发育完全特性,无需经过冷等静压环节即能得到致密度达95%以上。XRD图谱表明Co和Mn的掺入并未产生新相,结合氧化物伪二元相图的观察,发现Co或Mn是以原子替换形式占据Zn的位置；致密度最高的ZAO、ZnO:Co和ZnO:Mn靶材对应的最佳成型压力分别是：16MPa、12MPa和12MPa,烧结温度和烧结时间组合均为1350℃×1h。将自制ZAO靶材通过射频磁控工艺镀膜和热处理后,薄膜显微组织均匀,晶粒细小,ZAO薄膜在可见光区的透过率为88.6%,电阻率为2.1×10-3Ω·cm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 透明导电薄膜简介
• 1.2.1 ZnO基透明导电薄膜及其靶材
• 1.2.2 ITO透明导电薄膜及其靶材
• 1.3 透明导电薄膜的制备方法
• 1.3.1 靶材溅射镀膜工艺
• 1.3.2 靶材品质评价指标
• 1.4 氧化物靶材的制备方法
• 1.4.1 常压烧结法（Conventional Solid-state Sintering）
• 1.4.2 热压法（Hot Pressing,HP）
• 1.4.3 热等静压法（Hot Isostatic Pressing,HIP）
• 1.5 本文计算模拟方法和理论基础简介
• 1.5.1 第一性原理总能计算方法
• 1.5.2 压致相变
• 1.5.3 能带结构
• 1.5.4 态密度（Density of States,DOS）
• 1.5.5 固体光学常数间的基本关系
• 1.5.6 VASP简介（VASP GUIDE）
• 1.6 研究内容
• 1-xM_xO的总能、结构、磁性和光学性质第一性原理计算'>第二章 Zn_1-xM_xO的总能、结构、磁性和光学性质第一性原理计算
• 2.1 计算初始文件和参数设置描述
• 2.1.1 INCAR
• 2.1.2 POSCAR
• 2.1.3 KPOINTS
• 2.1.4 POTCAR
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 掺杂效应对晶格参数的影响
• 2.2.2 掺杂效应对费米能级的影响
• 2.2.3 掺杂效应对电子结构的影响
• 2.2.4 掺杂效应对光学性质的影响
• 16O₁₆的能带结构和态密度'>2.2.5 磁性原子（Co、Mn）掺杂体系Zn₁₆O₁₆的能带结构和态密度
• 32O₃₂的结构有序和磁有序计算'>2.2.6 磁性原子（Co、Mn）掺杂体系Zn₃₂O₃₂的结构有序和磁有序计算
• 2.3 本章小结
• 2O₃的结构、压致相变及其掺杂改性研究'>第三章 In₂O₃的结构、压致相变及其掺杂改性研究
• 3.1 计算初始文件和参数设置描述
• 3.1.1 INCAR
• 3.1.2 POSCAR
• 3.1.3 KPOINTS
• 3.1.4 POTCAR
• 2O₃结构和相变的第一性原理研究'>3.2 多晶形态相In₂O₃结构和相变的第一性原理研究
• 2O₃多晶形态的晶体学结构参数'>3.2.1 In₂O₃多晶形态的晶体学结构参数
• 2O₃多晶形态的电子结构'>3.2.2 In₂O₃多晶形态的电子结构
• 2O₃弹性模量和压致相变'>3.2.3 In₂O₃弹性模量和压致相变
• 15MO₂₄电子结构和光学性质的第一性原理研究'>3.3 In₁₅MO₂₄电子结构和光学性质的第一性原理研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 粉末冶金法制备靶材及其性质研究
• 4.1 实验仪器与试剂
• 4.2 实验瓷料粒度分布
• 4.3 材料性能表征方法
• 4.4 ZnO基靶材的制备工艺及其性质研究
• 4.4.1 成型压力和烧结温度对靶材致密度的影响
• 4.4.2 烧结过程中烧结工艺曲线
• 4.4.3 靶材性能
• 4.4.4 薄膜性能
• 4.5 ITO靶材的制备工艺初探
• 4.5.1 烧结过程中烧结工艺曲线
• 4.5.2 靶材性能
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历
• 攻读硕士期间发表和已录用论文清单