鈮摻雜二氧化鈦透明導電氧化物薄膜的制備及其光電性能的優(yōu)化.pdf

1、近年來透明導電氧化物薄膜(TCO)在平板顯示器、觸屏手機、節(jié)能玻璃、平板電腦、太陽能電池等方面具有廣泛的應用。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，而且性能穩(wěn)定，最重要的是原材料在自然界中儲量豐富，環(huán)境友好。
　　本課題采用了一種新型的方法—遠源等離子體濺射法(HiTUS)來制

2、備透明導電氧化物薄膜的。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、可重復性好等優(yōu)點。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的條件下反應濺射，沉積NTO薄膜。我們在濺射沉積過程中選擇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NTO薄膜的結(jié)構和性能基于第一性原理做過計算和優(yōu)化，對薄膜的成分、缺陷進行理論預測，所以在制備過程中我們使用含量為6％Nb的合金靶材。
　　我們對制備出的薄膜樣品進行光電和結(jié)構性能表征:NTO薄膜的膜厚的測量，UV-Vis表征薄膜的光學性能，用高分辨率X射線衍射儀(XRD)對NTO薄膜進行晶體學分析，來研究薄膜的結(jié)晶情況;薄膜表面的顯微形貌用場發(fā)射電子掃描顯微鏡(FESEM)來表征;利用霍爾測試系統(tǒng)來精確地表征薄膜材料的電學性

4、能;薄膜的元素價態(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制。
　　濺射沉積過程中通入不同氧氣流量會顯著影響薄膜的光學性能和電學性能，隨著氧氣流量的增加薄膜的可見光透過率顯著提高，最高可達到90％以上;但薄膜的導電性卻隨著氧氣流量的增加而大幅降低，在氧氣流量為6sccm時薄膜的方塊電阻高達2MΩ/sq.，在氧氣流量為7sccm對應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電

5、性都會顯著提高，而且氧氣流量為6.4sccm到6.6sccm之間時，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行研究，分析了薄膜的內(nèi)部缺陷以及電輸運性能變化的微觀機制。熱處理之后，Nb均以+5價的形式存在于Ti的晶格點位，而且薄膜的缺陷含量較低，電子結(jié)構（禁帶寬度）變化不大。熱處理后薄膜在