鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備及其光電性能的優(yōu)化.pdf

1、近年來透明導(dǎo)電氧化物薄膜(TCO)在平板顯示器、觸屏手機(jī)、節(jié)能玻璃、平板電腦、太陽能電池等方面具有廣泛的應(yīng)用。目前占有統(tǒng)治地位的TCO材料是氧化銦錫(ITO)，光電性能優(yōu)異，但是機(jī)械性能不足，原材料銦資源稀缺，且有毒性。鈮摻雜二氧化鈦(NTO)薄膜是一種新型的TCO薄膜，它具有高透光率、低電阻率的特點(diǎn)，而且性能穩(wěn)定，最重要的是原材料在自然界中儲(chǔ)量豐富，環(huán)境友好。
　　本課題采用了一種新型的方法—遠(yuǎn)源等離子體濺射法(HiTUS)來制

2、備透明導(dǎo)電氧化物薄膜的。這種新型的濺射沉積系統(tǒng)具有濺射速率快、制備出的薄膜致密且均勻、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。該鍍膜系統(tǒng)用低能的等離子束轟擊合金靶材，在本底真空為2.0×10-3Pa的條件下反應(yīng)濺射，沉積NTO薄膜。我們?cè)跒R射沉積過程中選擇1500W的等離子體發(fā)射功率，氬氣流量為88sccm，氧氣流量選擇在0～7sccm之間，靶材加速偏壓功率為600W，濺射過程中靶材電流為0.8～1.0A，以及工作氣壓是4.7～5.0×10-1Pa。前期我們

3、已對(duì)NTO薄膜的結(jié)構(gòu)和性能基于第一性原理做過計(jì)算和優(yōu)化，對(duì)薄膜的成分、缺陷進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，所以在制備過程中我們使用含量為6％Nb的合金靶材。
　　我們對(duì)制備出的薄膜樣品進(jìn)行光電和結(jié)構(gòu)性能表征:NTO薄膜的膜厚的測(cè)量，UV-Vis表征薄膜的光學(xué)性能，用高分辨率X射線衍射儀(XRD)對(duì)NTO薄膜進(jìn)行晶體學(xué)分析，來研究薄膜的結(jié)晶情況;薄膜表面的顯微形貌用場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡(FESEM)來表征;利用霍爾測(cè)試系統(tǒng)來精確地表征薄膜材料的電學(xué)性

4、能;薄膜的元素價(jià)態(tài)和缺陷采用X射線光電子能譜(XPS)來表征，分析影響薄膜光電性能的微觀機(jī)制。
　　濺射沉積過程中通入不同氧氣流量會(huì)顯著影響薄膜的光學(xué)性能和電學(xué)性能，隨著氧氣流量的增加薄膜的可見光透過率顯著提高，最高可達(dá)到90％以上;但薄膜的導(dǎo)電性卻隨著氧氣流量的增加而大幅降低，在氧氣流量為6sccm時(shí)薄膜的方塊電阻高達(dá)2MΩ/sq.，在氧氣流量為7sccm對(duì)應(yīng)的薄膜的電阻非常大，近乎絕緣。經(jīng)過500℃加熱處理后薄膜的透光性和導(dǎo)電

5、性都會(huì)顯著提高，而且氧氣流量為6.4sccm到6.6sccm之間時(shí)，經(jīng)過500℃加熱處理后的薄膜的光透過率在90％以上，電阻率可低至9.4×10-4Ωcm，獲得理想的NTO材料。
　　我們也對(duì)加熱前后的薄膜的結(jié)晶特性、顯微形貌以及薄膜的樣品的禁帶寬度等進(jìn)行研究，分析了薄膜的內(nèi)部缺陷以及電輸運(yùn)性能變化的微觀機(jī)制。熱處理之后，Nb均以+5價(jià)的形式存在于Ti的晶格點(diǎn)位，而且薄膜的缺陷含量較低，電子結(jié)構(gòu)（禁帶寬度）變化不大。熱處理后薄膜在