TGZO透明導(dǎo)電薄膜的制備及其光電性能研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜是一種兼具優(yōu)良透光性能和導(dǎo)電性能的光電子信息材料,在太陽(yáng)能電池、平板顯示器和觸控面板等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前,廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的TCO材料主要是氧化銦錫(ITO),但由于銦為稀有金屬、儲(chǔ)量有限,因此隨著TCO材料需求量與日俱增,尋找和研究ITO薄膜的替代產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩。作為一種綠色環(huán)保的TCO薄膜材料,ZnO基透明導(dǎo)電薄膜價(jià)格低廉、儲(chǔ)量豐富,并具有與ITO相媲美的光電性能,被認(rèn)為是ITO薄膜最具潛力

2、的替代材料。雖然人們已經(jīng)對(duì)單元素?fù)诫sZnO薄膜進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究,但是普遍認(rèn)為其光電性能仍有待進(jìn)一步改善。
　　本文采用射頻磁控濺射技術(shù),以高密度鈦鎵合摻雜氧化鋅(TGZO,97％ZnO:1.5%TiO2:1.5%Ga2O3)陶瓷靶材作為濺射源,在玻璃襯底上沉積了高質(zhì)量的TGZO透明導(dǎo)電薄膜,通過(guò)X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)和四探針儀等測(cè)試以及透射光譜擬合

3、,詳細(xì)研究了濺射氣壓、襯底溫度、射頻功率、沉積時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)TGZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。其主要工作和結(jié)論如下:
　　(1)薄膜光學(xué)常數(shù)和厚度的提取?；诠庾V擬合思想,將譜梯度優(yōu)化算法應(yīng)用于反演求解的尋優(yōu)計(jì)算過(guò)程中,設(shè)計(jì)了薄膜參數(shù)的反演計(jì)算程序,通過(guò)對(duì)薄膜透射光譜進(jìn)行有效擬合計(jì)算,獲得了沉積薄膜的折射率(n)、消光系數(shù)(k)及其物理厚度(d)。光譜擬合結(jié)果與SEM測(cè)試和包絡(luò)法計(jì)算相吻合,表明反演過(guò)程是有效可信的。與其它測(cè)

4、量方法相比,該方法不需要昂貴復(fù)雜的硬件設(shè)備,具有簡(jiǎn)單可行、適用性廣等特點(diǎn)。
　　(2)制備工藝參數(shù)對(duì)TGZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)XRD、SEM和XPS表征技術(shù),研究了工藝參數(shù)對(duì)TGZO薄膜晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、表面形貎、化學(xué)成分和元素價(jià)態(tài)的影響。結(jié)果表明,Scherrer公式估算的晶粒尺寸與SEM測(cè)量結(jié)果一致,所有薄膜均為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)并具有(002)擇優(yōu)取向,鈦鎵合摻雜和工藝條件沒(méi)有改變ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu),但制備工藝參數(shù)對(duì)T

5、GZO薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶質(zhì)量具有顯著性影響。當(dāng)襯底溫度為350°C時(shí),TGZO薄膜具有最強(qiáng)的衍射峰(1.42×106cps),最窄的半高寬(0.092°)和最大的晶粒尺寸(82.33nm),其晶體質(zhì)量最佳。
　　(3)制備工藝參數(shù)對(duì)TGZO薄膜電學(xué)性質(zhì)的影響?；陔娮杪屎头綁K電阻的測(cè)量,研究了TGZO薄膜電學(xué)性質(zhì)與工藝參數(shù)之間的關(guān)系,并對(duì)影響薄膜電學(xué)性質(zhì)的微觀機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,濺射氣壓、襯底溫度、射頻功率、沉積時(shí)間等工藝

6、參數(shù)對(duì)TGZO薄膜電阻率具有不同程度的影響,隨著工藝參數(shù)值的增加均呈現(xiàn)出“先降后增”的變化趨勢(shì),其最低電阻率接近10-4Ω·cm;TGZO薄膜的導(dǎo)電性能與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān),結(jié)晶質(zhì)量越好、晶粒尺寸越大,則導(dǎo)電性能越好。
　　(4)制備工藝參數(shù)對(duì)TGZO薄膜光學(xué)性質(zhì)的影響。利用分光光度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù),結(jié)合光學(xué)表征技術(shù)和光譜擬合方法,研究了制備工藝參數(shù)對(duì)TGZO薄膜透過(guò)率(T)、光學(xué)常數(shù)(n,k)和光學(xué)帶隙(Eg)的影響。結(jié)果表明,工藝條

7、件不僅明顯影響薄膜的透過(guò)率T,而且對(duì)n,k,Eg具有一定的調(diào)控作用;大部分TGZO薄膜的折射率n表現(xiàn)為正常色散性質(zhì),n的變化范圍為2.0~2.5;消光系數(shù)k隨波長(zhǎng)增大而迅速減小,在可見(jiàn)光區(qū)域接近于零;由于Burstein-Moss效應(yīng),TGZO薄膜的光學(xué)帶隙Eg為3.40~3.55eV,明顯大于未摻雜ZnO薄膜。
　　(5)制備工藝參數(shù)對(duì)TGZO薄膜光電綜合性能的影響?；赥GZO薄膜微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性能的研究,利用Haa

8、cke優(yōu)良指數(shù)(ФTC)對(duì)TGZO透明導(dǎo)電薄膜的光電綜合性能進(jìn)行了量化評(píng)價(jià),不同工藝參數(shù)時(shí)TGZO薄膜的ФTC值為0.29×10-2~1.38×10-2Ω-1,結(jié)果表明工藝條件明顯影響其光電綜合性能,工藝參數(shù)的選擇對(duì)于研制低阻高透的TGZO薄膜是至關(guān)重要的。
　　(6)TGZO制備工藝條件的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)TGZO系列薄膜微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的綜合研究,獲得制備TGZO透明導(dǎo)電薄膜的最佳工藝參數(shù)為:濺射氣壓0.4Pa,襯底溫度350°C