共摻雜ZnO基透明導(dǎo)電薄膜的研究.pdf

1、隨著科技的不斷深入，尤其是太陽(yáng)能利用和顯示技術(shù)等熱點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展及需求，氧化物透明導(dǎo)電薄膜(Transparentconductingoxide，TCO)在新型薄膜材料中的地位及作用日益凸顯。這類(lèi)材料化學(xué)穩(wěn)定性好，且具有較高的透光率和較低的電阻率，可應(yīng)用在薄膜太陽(yáng)能電池、液晶顯示器、氣體傳感器等眾多領(lǐng)域。ZnO基透明導(dǎo)電薄膜因成本低、原料無(wú)毒、制備工藝簡(jiǎn)單、沉積溫度低、在氫等離子體環(huán)境下穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被視為ITO(In2O3∶Sn)薄膜

2、最合適的替代者之一。針對(duì)目前單摻雜ZnO基透明導(dǎo)電薄膜載流子遷移率低，導(dǎo)電性不理想，且摻雜濃度過(guò)高時(shí)，金屬離子易發(fā)生團(tuán)簇、生成雜質(zhì)金屬氧化物等問(wèn)題，為進(jìn)一步改善薄膜的光電性能，本文采用多元素共摻的方法制備新型ZnO基透明導(dǎo)電薄膜，并對(duì)制得的共摻雜ZnO基透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行成分的分析和結(jié)構(gòu)的表征，測(cè)試薄膜的透光率和電阻率，揭示共摻雜對(duì)薄膜光電性能的影響規(guī)律，優(yōu)化薄膜制備工藝，尋找最佳工藝參數(shù)。
　　 多元素共摻雜法是選擇具有相近原子

3、半徑的金屬與非金屬元素一起摻入ZnO中，使其成為替位原子，占據(jù)Zn2+或O2-的晶格，產(chǎn)生多余價(jià)電子，使導(dǎo)電電子增多，從而增強(qiáng)晶體導(dǎo)電性。同時(shí)借助幾種元素的相互作用，避免遷移率的降低以及雜質(zhì)的生成。
　　 采用溶膠-凝膠法(sol-gel)在普通載玻片上旋涂制備出A1、Ga共摻雜ZnO透明導(dǎo)電薄膜(GAZO)。首先利用正交試驗(yàn)，對(duì)GAZO薄膜的工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究溶膠濃度、摻雜配比、熱處理溫度、薄膜厚度等影響因素對(duì)薄膜光電性能的影

4、響。分別以薄膜的透光率和方塊電阻為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定GAZO薄膜的最佳工藝參數(shù)為:溶膠濃度1mol/L，Al摻雜濃度2.0at.％，Al/Ga摻雜配比2∶1，預(yù)燒溫度350℃，退火溫度600℃，膜厚10層。通過(guò)X射線衍射儀(XRO)、掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行分析;采用可見(jiàn)分光光度計(jì)和雙電測(cè)四探針電阻率測(cè)試儀對(duì)薄膜的光電性能進(jìn)行測(cè)試。XRD測(cè)試表明Al和Ga的摻入并未影響ZnO的晶體結(jié)

5、構(gòu)，也沒(méi)有生成其它雜質(zhì)氧化物。最佳工藝條件下薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透過(guò)率為88.458％，電阻率為2.66×10-3Ω·cm。
　　 分別制備AZO、GZO、ZnO薄膜，與GAZO對(duì)比研究各薄膜的組織結(jié)構(gòu)、表面形貌及光電性能。結(jié)果表明，Al、Ga單摻雜及Al、Ga共摻雜均能有效提高ZnO薄膜的導(dǎo)電性，其中單摻Al的效果最顯著。制備出的薄膜均表現(xiàn)為高結(jié)晶質(zhì)量的C軸(002)擇優(yōu)取向;共摻雜可以細(xì)化晶粒，降低薄膜的電阻率，在一定范圍內(nèi)

6、提高薄膜的透光率。
　　 采用溶膠-凝膠法(sol-gel)在普通載玻片上旋涂制備出Al、N、F三摻雜ZnO透明導(dǎo)電薄膜(ZnO∶Al/N/F)。分別研究溶膠濃度和摻雜濃度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、表面形貌以及光電性能的影響，結(jié)果表明:制備出的ZnO∶Al/N/F薄膜致密均勻，平整光滑，為高結(jié)晶質(zhì)量的C軸(002)擇優(yōu)取向;當(dāng)溶膠濃度為0.75mol/L、摻雜濃度為0.90at.％時(shí)，薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(390～780nm)的平均透過(guò)率可達(dá)8