磁控濺射法制備ZnO透明導(dǎo)電薄膜組織與性能研究.pdf

1、ZnO透明導(dǎo)電薄膜作為一種重要的新興光電子信息材料，不僅具有在可見(jiàn)光區(qū)高的透過(guò)率、在紅外區(qū)高的反射率以及較高的電導(dǎo)率等光電特征，而且具有成本低、資源豐富(約是In含量的1000倍)、無(wú)毒性、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，有望成為ITO薄膜的替代產(chǎn)品，并在太陽(yáng)能電池、液晶顯示器、電磁防護(hù)屏等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題研究以純度為99.9％的ZnO納米粉體和99.99％的Ga2O3粉體為原料，采用了冷等靜壓法+高溫?zé)Y(jié)，優(yōu)化工藝獲得質(zhì)

2、量?jī)?yōu)良的ZnO系靶材，研究射頻濺射法在硬質(zhì)襯底(普通玻璃)和柔性襯底(聚酰亞胺，簡(jiǎn)稱PI)上制備ZnO透明導(dǎo)電薄膜，利用XRD、EDS和AFM等現(xiàn)代分析手段研究了薄膜的化學(xué)成份、相組成和微觀形貌，研究了薄膜的光學(xué)和電學(xué)特性，并對(duì)薄膜的透光和導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了討論。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以純度為99.9％的ZnO納米粉體和99.99％的Ga2O3粉體為原材料，采用冷壓成型和優(yōu)化的燒結(jié)工藝，成功制成了具有27.72％的收縮率的單一ZnO靶材和

3、27.65％的收縮率的ZnO/Ga2O3復(fù)合靶材，并滿足了實(shí)驗(yàn)用射頻磁控濺射制備ZnO系薄膜靶材的高致密度要求。 射頻磁控濺射法制備ZnO系薄膜的研究表明：采用純度為99.9％的自制ZnO系靶材為濺射靶，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了射頻磁控濺射制備ZnO系薄膜的工藝，并分別以普通玻璃和有機(jī)聚酰亞胺(PI)為襯底在高純的氬氣中成功制備了單一ZnO薄膜和ZnO/Ga2O3復(fù)合薄膜，研究了主要濺射參數(shù)對(duì)薄膜的微觀形貌(AFM圖)的影響規(guī)律。獲得的最佳

4、的工藝條件為：濺射功率70W、濺射氬氣分壓0.1Pa，靶材—基體間距70mm，濺射時(shí)間60min，真空度為6×10-5Pa。 利用X射線衍射儀(XRD)、電子探針(EPMA)、能譜分析(EDS)、原子力顯微鏡(AFM)等分析手段對(duì)所制得的薄膜成分、相組成及微觀形貌研究表明：實(shí)驗(yàn)制備的ZnO系透明導(dǎo)電薄膜為多晶六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有(002)面的擇優(yōu)生長(zhǎng)取向，其中Ga原子以替位式出現(xiàn)在晶格中。濺射過(guò)程中無(wú)需對(duì)襯底進(jìn)行加熱，濺射后也無(wú)

5、需對(duì)薄膜進(jìn)行退火處理；ZnO系透明導(dǎo)電薄膜呈柱狀生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)非常緊密，并且離開玻璃襯底越近，晶粒越小。ZnO系表面微觀形貌為細(xì)小島狀的連續(xù)膜。 劃痕法測(cè)試薄膜——基體界面結(jié)合強(qiáng)度(附著力)結(jié)果表明：在玻璃襯底和聚酰亞胺襯底上制備的高質(zhì)量的薄膜都具有良好的附著性。其中，聚酰亞胺襯底上制備的薄膜經(jīng)過(guò)多次折疊，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)龜裂和脫落現(xiàn)象。 ZnO/Ga2O3薄膜的光學(xué)特性測(cè)試和分析表明：在玻璃襯底和聚酰亞胺襯底上沉積ZnO/Ga2O

6、3薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的最高透光率分別達(dá)到了94％和80％。此外，由于柔性襯底本身帶隙較窄(2.82eV)，使得聚酰亞胺襯底薄膜的透光率曲線的吸收邊不同與玻璃襯底薄膜，而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。ZnO薄膜的透光機(jī)制在于：ZnO是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，價(jià)電子所處的能帶是滿的。它不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，而可見(jiàn)光區(qū)的光子能量又不足以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，并且ZnO中的缺陷和外部摻雜可顯著地改變它的禁帶寬度。所以提高ZnO薄膜的透光率要控制它的生長(zhǎng)

7、條件，使得晶粒尺寸合適，晶粒取向性好且結(jié)構(gòu)致密。 ZnO/Ga2O3薄膜的ZnO薄膜的電學(xué)特性測(cè)試和分析表明：玻璃襯底和聚酰亞胺襯底上制備的ZnO/Ga2O3薄膜最小電阻率分別為2.25×10-3Ω.cm和7.51×10-2Ω.cm，聚酰亞胺薄膜的電阻率要大一些，其原因可能是聚酰亞胺襯底表面惰性大，與ZnO薄膜的晶格匹配不如玻璃襯底好。單一ZnO膜的電阻率高達(dá)106Ω.cm，而摻Ga的ZnO/Ga2O3(或ZnO：Ga)復(fù)合薄膜