磁控濺射ZnO-Al(H)薄膜中的缺陷對電學(xué)性能和光學(xué)性能的影響機(jī)制研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物(TCOs)薄膜是把光學(xué)透明性能（可見光）和電學(xué)高導(dǎo)電性能復(fù)合在一體的光電材料。在電學(xué)性能方面，透明導(dǎo)電薄膜具有高的載流子濃度（一般在1020cm-3量級）;在光學(xué)性能方面，它會反射紅外光，吸收紫外光，又使可見光穿透。因此，透明導(dǎo)電薄膜在太陽能電池、液晶顯示器、氣體傳感器、飛機(jī)和汽車用導(dǎo)熱窗玻璃等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　ZnO∶Al(AZO)透明導(dǎo)電薄膜因具有原材料豐富、價(jià)格低廉、耐氫刻蝕等優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛的關(guān)注

2、，被認(rèn)為是替代商業(yè)化In2O3∶Sn(ITO)薄膜的最佳選擇。AZO薄膜已經(jīng)作為部分工業(yè)化生產(chǎn)薄膜太陽能電池的透明電極，然而與ITO薄膜相比，AZO薄膜仍然存在薄膜電阻率相對較高，空氣中穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)，并不能達(dá)到其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν该鲗?dǎo)電薄膜的性能要求。此外，影響AZO薄膜物理性能和微結(jié)構(gòu)的主要缺陷仍然是具有較大爭議的。基于上述仍然存在的問題，本文從以下幾個方面開展工作:
　　論文第一章簡要闡述了ZnO基材料的基本性質(zhì);介紹了ZnO

3、材料的本征缺陷和n型摻雜缺陷;總結(jié)了H在ZnO中可能的存在形式以及對薄膜載流子濃度的影響。另外，介紹了幾種常見的透明導(dǎo)電薄膜;總結(jié)了AZO透明導(dǎo)電薄膜的制備方法;研究現(xiàn)狀以及潛在的應(yīng)用前景。最后簡要概括了本文的主要研究內(nèi)容。
　　論文第二章主要介紹了制備AZO透明導(dǎo)電薄膜的磁控濺射設(shè)備和退火實(shí)驗(yàn)的測試過程。此外，簡單概述了表征AZO薄膜微結(jié)構(gòu)和物理性能的幾種測試方法和儀器，如X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射

4、電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜(Raman)等。
　　論文第三章的主要工作是圍繞如何降低磁控濺射中高能氧負(fù)離子的轟擊對AZO薄膜的破壞作用開展的。結(jié)果表明增加氬氣流速或者靶基距是降低高能氧負(fù)離子轟擊的有效方法，AZO薄膜的最低電阻率為2.68×10-3Ωcm。此外，通過測試靶材前方不同位置AZO薄膜的微結(jié)構(gòu)和物理性能隨靶基距的變化，證明高能氧負(fù)離子的轟擊是控制刻蝕區(qū)域薄膜電學(xué)和光學(xué)性能的主要因素，而濺射過程中其他粒子的能量則決定了

5、非刻蝕區(qū)域薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。當(dāng)靶基距為62mm時，兩塊靶材中心位置薄膜的電阻率最低為5.8×10-4Ωcm。
　　論文第四章的主要內(nèi)容是磁控濺射制備H共摻雜AZO透明導(dǎo)電薄膜的工藝研究。研究發(fā)現(xiàn)H自由基共摻雜AZO薄膜時，在AZO薄膜中以淺施主氫填隙的形式存在，從而使薄膜電阻率降低。H自由基還可以占據(jù)AZO薄膜中的氧空位，導(dǎo)致薄膜在可見光波段(400-500nm)的透射率顯著提高。AZO薄膜的最低電阻率為1.54×10-3Ωc

6、m，可見光平均透射率大于85％。
　　論文第五章主要討論了AZO薄膜中的缺陷對薄膜微結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光學(xué)性能的影響以及隨退火工藝的變化。晶界吸附物對AZO薄膜的主要影響是提高薄膜電阻率和降低禁帶寬度，增加可見光發(fā)光以及使耗盡層中產(chǎn)生單電子的氧空位缺陷;氫氣氣氛下，薄膜電阻率隨溫度的變化結(jié)果表明AZO薄膜在RT-350℃范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為類金屬性質(zhì)的行為，即薄膜電阻率隨溫度的升高而升高。圓鼓上的AZO薄膜除了表現(xiàn)類金屬性質(zhì)的行為外，電