CuAlO2透明導(dǎo)電薄膜與粉體的制備及性能研究.pdf

1、CuAlO2是一種天然的p型透明導(dǎo)電氧化物(TCO)材料，直接和間接帶隙分別為3.5和1.8eV，具有銅鐵礦結(jié)構(gòu)。由于在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有高的透明度(寬帶隙)、電導(dǎo)率，在太陽(yáng)能電池、平面顯示、特殊功能窗口涂層及其它光電器件領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。TCO的出現(xiàn)開拓了光電子器件研究的新領(lǐng)域，但p型TCO的相對(duì)缺少卻嚴(yán)重制約了透明氧化物半導(dǎo)體(TOS)相關(guān)器件的發(fā)展與應(yīng)用，阻礙了TCO向半導(dǎo)體全透明光電器件的研究開發(fā)。1997年Kawazoe等人

2、制備并發(fā)表了P型透明導(dǎo)電CuAlO2薄膜的研究報(bào)告，使得CuAlO2作為一種天然的p型TCO，成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。
　　 本論文采用溶膠-凝膠制備技術(shù)，在相對(duì)較低溫度下制備了CuAlO2微晶，并研究了其反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。同時(shí)在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一種絡(luò)合溶膠-凝膠法來(lái)制備CuAlO2單晶，即采用絡(luò)合物對(duì)溶膠-凝膠過(guò)程進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)。采用微波水熱輔助絡(luò)合溶膠-凝膠法在成功制備粉體的基礎(chǔ)上制備CuAlO2薄膜，并對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試

3、。
　　 采用分析純的Cu(CH3COO)2·H2O和Al(NO3)3·9H2O為起始原料，通過(guò)溶膠-凝膠法在1200℃制備了CuAlO2微晶，系統(tǒng)研究了煅燒溫度，反應(yīng)體系等工藝因素對(duì)合成CuAlO2微晶的影響。采用X-射線衍射分析(XRD)，示差掃描量熱分析(DSC)，透射電子顯微鏡(TEM)以及紫外可見(jiàn)吸收光譜(UV-Vis)等手段對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，所得CuAlO2微晶平均晶粒尺寸在100～150nm，顆粒分散性好

4、，隨煅燒溫度的升高，一方面會(huì)導(dǎo)致晶粒的生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致CuO和CuAl2O4中間相的進(jìn)一步反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)物的粒度增加。不同的煅燒溫度在一定程度上影響生成產(chǎn)物的形貌和粒度。對(duì)溶膠-凝膠法制備CuAlO2微晶的反應(yīng)活化能進(jìn)行初步探討，研究表明，采用阿侖尼烏斯公式可以計(jì)算出采用溶膠-凝膠法制備CuAlO2微晶的反應(yīng)活化能為88.25kJ/mol。
　　 在溶膠-凝膠法的基礎(chǔ)上，采用絡(luò)合溶膠-凝膠法制備了結(jié)晶性能有所改善的CuAlO2單

5、晶，以分析純的一水醋酸銅，氯化亞銅和三水硝酸銅為銅源，采用異丙醇鋁和九水硝酸鋁為鋁源，采用檸檬酸絡(luò)合溶膠-凝膠法在相對(duì)較低的溫度下(1050℃)合成CuAlO2單晶。系統(tǒng)研究了前驅(qū)物中銅鹽、鋁鹽類型和絡(luò)合劑用量及煅燒溫度等因素對(duì)CuAlO2單晶的影響。采用X-射線衍射分析(XRD)，差熱-熱重分析(DTA-TG)，透射電子顯微鏡(TEM)、選區(qū)電子衍射(SAED)以及紫外可見(jiàn)吸收光譜(UV-Vis)等手段對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，所得

6、CuAlO2單晶平均晶粒尺寸在150nm左右，顆粒分散性好，選區(qū)電子衍射圖中衍射點(diǎn)規(guī)則排列，表明所得產(chǎn)物為單晶結(jié)構(gòu)。對(duì)反應(yīng)原料進(jìn)行分析，初步確定合成CuAlO2比較合適的反應(yīng)原料為三水硝酸銅和異丙醇鋁，不同絡(luò)合比對(duì)溶膠的形成及其存在狀態(tài)有一定的影響。隨著溫度的進(jìn)一步升高，CuAlO2的衍射峰逐漸變尖銳，這表明隨著燒結(jié)溫度的升高，晶粒結(jié)晶性趨向完善。不同的煅燒溫度和絡(luò)合比能在一定程度上影響生成產(chǎn)物的形貌和粒度。對(duì)絡(luò)合溶膠-凝膠法制備CuA

7、lO2單晶的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行初步探討，研究表明，檸檬酸有利于形成CuAlO2純相。通過(guò)對(duì)絡(luò)合溶膠-凝膠法制備CuAlO2單晶的光學(xué)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與體材料相比發(fā)生了明顯藍(lán)移。隨著煅燒溫度的提高，CuAlO2單晶的禁帶寬度逐漸變小，禁帶寬度Eg分別為4.05eV、3.88eV和3.75eV。表明材料的導(dǎo)電性得到了提高。
　　 采用微波水熱輔助絡(luò)合溶膠-凝膠法成功制備了CuAlO2薄膜，研究了體系中熱處理溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響，結(jié)合XR