In摻雜ZnO薄膜的制備與特性研究.pdf_第1頁(yè)
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1、氧化鋅(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙(3.37eV)半導(dǎo)體氧化物材料,由于其優(yōu)良的光電特性,在發(fā)光器件、液晶顯示器、太陽(yáng)能電池、氣敏元件以及透明電極等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。與現(xiàn)在常用的透明導(dǎo)電薄膜ITO和SnO2:F薄膜相比,ZnO薄膜具有價(jià)格便宜,在活性氫和氫等離子體環(huán)境下穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞,是一種最有希望替代ITO的材料。為進(jìn)一步提高ZnO的導(dǎo)電性能,常采用Al、Ga、In摻雜,其中In3+半徑與Zn2+半徑最為接近,In摻雜

2、導(dǎo)致的ZnO的晶格畸變更??;同時(shí),In電負(fù)性大,不如Al、Ga、Zn活潑,不易形成氧化物,更利于以替位的形式存在于晶格中,實(shí)現(xiàn)有效摻雜。目前,可用多種方法制備In摻雜ZnO(ZnO:In)薄膜,但采用設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、易操作、利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的磁控濺射方法來(lái)制備ZnO:In薄膜的研究報(bào)道尚較少,有必要系統(tǒng)、深入地研究ZnO:In薄膜的磁控濺射制備技術(shù)及其相關(guān)特性。
   本文以高純ZnO和In2O3粉末壓制成靶,通過(guò)射頻磁控

3、濺射技術(shù)在玻璃襯底上制備了高質(zhì)量的ZnO:In薄膜,系統(tǒng)研究了In摻雜濃度、襯底溫度、濺射壓強(qiáng)、濺射功率、退火溫度等工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響;用XRD、AFM、SEM和紫外-可見(jiàn)-紅外分光光度計(jì)等測(cè)試手段對(duì)沉積的薄膜進(jìn)行了表征和分析;研究了ZnO:In薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、成分、導(dǎo)電性能、透光性能、NO2氣敏和熱電性能,計(jì)算了薄膜的光學(xué)常數(shù),并研究了PL發(fā)光性質(zhì)。通過(guò)研究得出了以下主要結(jié)果:
   1.所制備的ZnO:In薄膜均為六

4、角纖鋅礦的多晶結(jié)構(gòu),具有(002)方向的擇優(yōu)生長(zhǎng)特性。薄膜中Zn和In分別以Zn2+和In3+形式存在,未發(fā)現(xiàn)其它價(jià)態(tài)的In和Zn元素。
   2.薄膜的表面形貌受襯底溫度、In摻雜濃度、濺射功率、壓強(qiáng)等制備參數(shù)的影響,適當(dāng)提高襯底溫度、降低In摻雜濃度利于獲得晶粒更致密、表面更平整光滑的薄膜。
   3.ZnO:In薄膜為n型導(dǎo)電,導(dǎo)電性能受In摻雜濃度、襯底溫度、濺射功率和濺射壓強(qiáng)等參數(shù)以及退火溫度的影響較大。In摻

5、雜濃度、襯底溫度、濺射功率增加時(shí),薄膜導(dǎo)電性能先升高后降低,存在對(duì)應(yīng)的最佳參數(shù);隨著濺射壓強(qiáng)、退火溫度的升高,載流子濃度下降,電阻率增加。綜合起來(lái),獲得高導(dǎo)電性能ZnO:In薄膜的條件為:In摻雜濃度5at.%、襯底溫度(250℃)、濺射功率120W、壓強(qiáng)2Pa、未退火,為加熱的情況下制備的ZnO:In薄膜電阻率最低為4.3×10-4Ω·cm。
   4.所有薄膜在可見(jiàn)光范圍的透光率平均值均在80%以上(含襯底)。隨摻雜濃度、襯

6、底溫度、濺射功率和退火溫度的變化,透光率平均值變化不大;隨著濺射壓強(qiáng)增加,透光率略有升高;空氣中退火后,薄膜的吸收邊發(fā)生紅移,隨著退火溫度的升高,紅移減小。發(fā)現(xiàn)退火ZnO:In薄膜的光學(xué)帶隙與薄膜的內(nèi)應(yīng)變(張應(yīng)變)呈現(xiàn)線性減小關(guān)系。
   5.所有薄膜均具有4個(gè)PL發(fā)光峰:396nm(3.13eV,紫外),446nm(2.78eV,藍(lán)帶),482nm(2.576V,綠帶)和527nm(2.35eV,綠帶),退火后PL發(fā)光峰顯著增

7、強(qiáng)。
   6.ZnO:In薄膜具有優(yōu)良的NO2氣敏特性,敏感工作溫度為275℃。1at.%In摻雜氣敏特性最好;膜越薄,靈敏度越高,膜厚為90nm時(shí),對(duì)20ppmNO2氣體的敏感度高達(dá)16。
   7.ZnO:In薄膜具有明顯的Seebeck效應(yīng),Seebeck系數(shù)為負(fù)值,表明薄膜為n型半導(dǎo)體。1at.%In摻雜時(shí),薄膜的功率因子為2.1×10-4W/K2·m,高于目前廣泛研究的p型熱電材料CuAlO2,表明ZnO:I

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