TGZO透明導電薄膜的制備及其光電性能研究.pdf

1、透明導電氧化物(TCO)薄膜是一種兼具優(yōu)良透光性能和導電性能的光電子信息材料,在太陽能電池、平板顯示器和觸控面板等領域具有廣闊的應用前景。當前,廣泛應用于工業(yè)領域的TCO材料主要是氧化銦錫(ITO),但由于銦為稀有金屬、儲量有限,因此隨著TCO材料需求量與日俱增,尋找和研究ITO薄膜的替代產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩。作為一種綠色環(huán)保的TCO薄膜材料,ZnO基透明導電薄膜價格低廉、儲量豐富,并具有與ITO相媲美的光電性能,被認為是ITO薄膜最具潛力

2、的替代材料。雖然人們已經(jīng)對單元素摻雜ZnO薄膜進行了比較系統(tǒng)的研究,但是普遍認為其光電性能仍有待進一步改善。
　　本文采用射頻磁控濺射技術(shù),以高密度鈦鎵合摻雜氧化鋅(TGZO,97％ZnO:1.5%TiO2:1.5%Ga2O3)陶瓷靶材作為濺射源,在玻璃襯底上沉積了高質(zhì)量的TGZO透明導電薄膜,通過X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外-可見光分光光度計和四探針儀等測試以及透射光譜擬合

3、,詳細研究了濺射氣壓、襯底溫度、射頻功率、沉積時間等工藝參數(shù)對TGZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。其主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)薄膜光學常數(shù)和厚度的提取?；诠庾V擬合思想,將譜梯度優(yōu)化算法應用于反演求解的尋優(yōu)計算過程中,設計了薄膜參數(shù)的反演計算程序,通過對薄膜透射光譜進行有效擬合計算,獲得了沉積薄膜的折射率(n)、消光系數(shù)(k)及其物理厚度(d)。光譜擬合結(jié)果與SEM測試和包絡法計算相吻合,表明反演過程是有效可信的。與其它測

4、量方法相比,該方法不需要昂貴復雜的硬件設備,具有簡單可行、適用性廣等特點。
　　(2)制備工藝參數(shù)對TGZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響。通過XRD、SEM和XPS表征技術(shù),研究了工藝參數(shù)對TGZO薄膜晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、表面形貎、化學成分和元素價態(tài)的影響。結(jié)果表明,Scherrer公式估算的晶粒尺寸與SEM測量結(jié)果一致,所有薄膜均為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)并具有(002)擇優(yōu)取向,鈦鎵合摻雜和工藝條件沒有改變ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu),但制備工藝參數(shù)對T

5、GZO薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶質(zhì)量具有顯著性影響。當襯底溫度為350°C時,TGZO薄膜具有最強的衍射峰(1.42×106cps),最窄的半高寬(0.092°)和最大的晶粒尺寸(82.33nm),其晶體質(zhì)量最佳。
　　(3)制備工藝參數(shù)對TGZO薄膜電學性質(zhì)的影響。基于電阻率和方塊電阻的測量,研究了TGZO薄膜電學性質(zhì)與工藝參數(shù)之間的關系,并對影響薄膜電學性質(zhì)的微觀機理進行了分析。結(jié)果顯示,濺射氣壓、襯底溫度、射頻功率、沉積時間等工藝

6、參數(shù)對TGZO薄膜電阻率具有不同程度的影響,隨著工藝參數(shù)值的增加均呈現(xiàn)出“先降后增”的變化趨勢,其最低電阻率接近10-4Ω·cm;TGZO薄膜的導電性能與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關,結(jié)晶質(zhì)量越好、晶粒尺寸越大,則導電性能越好。
　　(4)制備工藝參數(shù)對TGZO薄膜光學性質(zhì)的影響。利用分光光度計測量數(shù)據(jù),結(jié)合光學表征技術(shù)和光譜擬合方法,研究了制備工藝參數(shù)對TGZO薄膜透過率(T)、光學常數(shù)(n,k)和光學帶隙(Eg)的影響。結(jié)果表明,工藝條

7、件不僅明顯影響薄膜的透過率T,而且對n,k,Eg具有一定的調(diào)控作用;大部分TGZO薄膜的折射率n表現(xiàn)為正常色散性質(zhì),n的變化范圍為2.0~2.5;消光系數(shù)k隨波長增大而迅速減小,在可見光區(qū)域接近于零;由于Burstein-Moss效應,TGZO薄膜的光學帶隙Eg為3.40~3.55eV,明顯大于未摻雜ZnO薄膜。
　　(5)制備工藝參數(shù)對TGZO薄膜光電綜合性能的影響?；赥GZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)、電學性質(zhì)和光學性能的研究,利用Haa

8、cke優(yōu)良指數(shù)(ФTC)對TGZO透明導電薄膜的光電綜合性能進行了量化評價,不同工藝參數(shù)時TGZO薄膜的ФTC值為0.29×10-2~1.38×10-2Ω-1,結(jié)果表明工藝條件明顯影響其光電綜合性能,工藝參數(shù)的選擇對于研制低阻高透的TGZO薄膜是至關重要的。
　　(6)TGZO制備工藝條件的優(yōu)化。通過對TGZO系列薄膜微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的綜合研究,獲得制備TGZO透明導電薄膜的最佳工藝參數(shù)為:濺射氣壓0.4Pa,襯底溫度350°C