Al掺杂ZnO气敏薄膜制备及性质研究

论文摘要

ZAO薄膜由于自身优良的光学、电学及气敏特性而备受人们青睐。首先其原材料在自然界中的储量丰富、易于制造、成本低廉、无毒、热稳定性和化学稳定性好。因此,具有广阔的应用前景,适用于平板显示器、太阳能电池、热镜、电磁防护屏、气敏传感器等,因此ZAO透明导电薄膜必将成为新一代透明导电氧化物薄膜的代表。ZAO薄膜的制备还存在诸多问题如:实验的可重复性和可靠性不好,薄膜的厚度和成分都不均匀,质量不好,不同设备的最佳制备参数差别也很大。因此,通过对ZAO薄膜制备的研究,分析制备参数和薄膜光学、电学及气敏特性之间的关系,摸索出最佳制备条件,制备出性能优良的ZAO薄膜,具有重要意义。本实验我们使用JGP450型磁控溅射设备,采用双靶共溅射的方法,在普通玻璃衬底上制备ZAO薄膜,通过改变靶基距、反应气体总压强、Zn射频溅射功率、Al直流溅射功率、溅射时间等条件,制备出不同掺Al量的ZAO薄膜样品,从实验制备ZAO薄膜数据及结果分析了磁控反应共溅射制备参数对ZAO薄膜性能的影响,总结出最佳制备参数:靶基距为6cm,Ar流量为21sccm, O2流量为1.0sccm, Zn射频溅射功率确定为115W, Al直流溅射功率30W,制备沉积时间为30min,后又在氮气环境下对薄膜样品退火处理1.5小时,退火温度为4500C。用此参数制备出的ZAO薄膜,电阻率为4.9×10-3Ω·cm,可见光区透射率为83%。利用XRD, SEM、霍尔测试仪、分光光度计、keithley-2700多功能数字仪等测量仪器对薄膜的结构、形貌、光电特性进行了测试,研究了Al直流溅射功率分别为15W、25W、30W、40W的ZAO薄膜对酒精气体、NO2气体、LPG气体的气敏性、响应-恢复时间。并对ZAO薄膜对酒精气体、NO2气体的气敏机理进行了初步探讨。ZAO薄膜的气敏测试表明,Al的射频溅射功率为30W的ZAO薄膜对酒精气体的灵敏度较高。最后提出了实验中发现的问题,并对薄膜传感器的发展做出了展望。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 ZnO 的基本特性
• 1.2 ZAO 薄膜的制备方法及应用
• 1.2.1 ZAO 薄膜的制备方法
• 1.2.2 ZAO 薄膜的应用
• 1.3 ZnO 气敏传感器
• 1.3.1 纳米材料的特性
• 1.3.2 气敏传感器的分类
• 1.3.3 ZnO 气敏传感器及其气敏机理
• 1.4 掺杂ZnO 气敏薄膜的研究现状及存在的问题
• 1.4.1 掺杂ZnO 气敏薄膜的研究现状
• 1.4.2 Al掺杂ZnO气敏薄膜目前存在的问题及发展趋势
• 1.5 本课题的研究内容和目的
• 2 Al Z、n 双靶反应磁控共溅射ZAO 薄膜设备及实验设计
• 2.1 JGP450多功能磁控溅射镀膜设备
• 2.2 磁控溅射镀膜设备工作原理
• 2.2.1 溅射技术简介
• 2.2.2 磁控溅射原理
• 2.3 磁控溅射镀膜设备操作程序
• 2.4 实验设计及制备条件
• 2.4.1 实验设计
• 2.4.2 双靶共溅制备条件的摸索
• 2.5 本章小节
• 3 ZAO 薄膜的生长特性及其结构性能分析
• 3.1 ZAO 薄膜的生长理论
• 3.2 ZAO 薄膜的结构性能分析
• 3.2.1 X 射线衍射（XRD）的分析
• 3.2.1.1 不同溅射压强下制备的ZnO:Al薄膜的X射线衍射谱
• 3.2.1.2 不同的Al的溅射功率下制备的ZnO:Al薄膜的X射线衍射谱
• 3.2.2 ZAO 薄膜的电学性能分析
• 3.2.2.1 不同的Al的溅射功率对薄膜电阻的影响
• 3.2.2.2 不同溅射总压强对薄膜的电阻的影响
• 3.2.3 ZAO 薄膜的光学性能分析
• 3.2.3.1 不同的Al的溅射功率对薄膜透射率的影响
• 3.2.4 ZAO 薄膜的SEM 分析
• 3.3 本章小结
• 4 Al、Zn 双靶共溅射ZAO 薄膜气敏性能检测
• 4.1 Al、Zn 双靶共溅射ZAO 气敏薄膜的制作
• 4.2 气敏元件的制作
• 4.3 ZAO 薄膜气敏性能的研究
• 4.3.1 ZAO 薄膜对酒精气体敏感性能的影响
• 4.3.1.1 Al 的溅射功率对敏感性能的影响
• 4.3.1.2 样品的恢复-响应时间
• 4.3.2 LPG 气体浓度对ZAO 薄膜敏感性能的影响
• 2气体敏感性能的研究'>4.3.3 ZAO 薄膜对NO₂气体敏感性能的研究
• 2气体敏感性能'>4.3.3.1 样品3 对NO₂气体敏感性能
• 4.3.3.2 元件的响应-恢复时间
• 4.4 气敏机理
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附：1.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录、科研情况