In摻雜ZnO薄膜的制備與特性研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族直接帶隙(3.37eV)半導體氧化物材料，由于其優(yōu)良的光電特性，在發(fā)光器件、液晶顯示器、太陽能電池、氣敏元件以及透明電極等領域具有廣泛的應用前景。與現(xiàn)在常用的透明導電薄膜ITO和SnO2：F薄膜相比，ZnO薄膜具有價格便宜，在活性氫和氫等離子體環(huán)境下穩(wěn)定性高等優(yōu)點而備受青睞，是一種最有希望替代ITO的材料。為進一步提高ZnO的導電性能，常采用Al、Ga、In摻雜，其中In3+半徑與Zn2+半徑最為接近，In摻雜

2、導致的ZnO的晶格畸變更??；同時，In電負性大，不如Al、Ga、Zn活潑，不易形成氧化物，更利于以替位的形式存在于晶格中，實現(xiàn)有效摻雜。目前，可用多種方法制備In摻雜ZnO(ZnO：In)薄膜，但采用設備相對簡單、易操作、利于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的磁控濺射方法來制備ZnO：In薄膜的研究報道尚較少，有必要系統(tǒng)、深入地研究ZnO：In薄膜的磁控濺射制備技術及其相關特性。
　　 本文以高純ZnO和In2O3粉末壓制成靶，通過射頻磁控

3、濺射技術在玻璃襯底上制備了高質量的ZnO：In薄膜，系統(tǒng)研究了In摻雜濃度、襯底溫度、濺射壓強、濺射功率、退火溫度等工藝參數(shù)對薄膜性能的影響；用XRD、AFM、SEM和紫外-可見-紅外分光光度計等測試手段對沉積的薄膜進行了表征和分析；研究了ZnO：In薄膜的結構、形貌、成分、導電性能、透光性能、NO2氣敏和熱電性能，計算了薄膜的光學常數(shù)，并研究了PL發(fā)光性質。通過研究得出了以下主要結果：
　　 1.所制備的ZnO：In薄膜均為六

4、角纖鋅礦的多晶結構，具有(002)方向的擇優(yōu)生長特性。薄膜中Zn和In分別以Zn2+和In3+形式存在，未發(fā)現(xiàn)其它價態(tài)的In和Zn元素。
　　 2.薄膜的表面形貌受襯底溫度、In摻雜濃度、濺射功率、壓強等制備參數(shù)的影響，適當提高襯底溫度、降低In摻雜濃度利于獲得晶粒更致密、表面更平整光滑的薄膜。
　　 3.ZnO：In薄膜為n型導電，導電性能受In摻雜濃度、襯底溫度、濺射功率和濺射壓強等參數(shù)以及退火溫度的影響較大。In摻

5、雜濃度、襯底溫度、濺射功率增加時，薄膜導電性能先升高后降低，存在對應的最佳參數(shù)；隨著濺射壓強、退火溫度的升高，載流子濃度下降，電阻率增加。綜合起來，獲得高導電性能ZnO：In薄膜的條件為：In摻雜濃度5at.％、襯底溫度(250℃)、濺射功率120W、壓強2Pa、未退火，為加熱的情況下制備的ZnO：In薄膜電阻率最低為4.3×10-4Ω·cm。
　　 4.所有薄膜在可見光范圍的透光率平均值均在80％以上(含襯底)。隨摻雜濃度、襯

6、底溫度、濺射功率和退火溫度的變化，透光率平均值變化不大；隨著濺射壓強增加，透光率略有升高；空氣中退火后，薄膜的吸收邊發(fā)生紅移，隨著退火溫度的升高，紅移減小。發(fā)現(xiàn)退火ZnO：In薄膜的光學帶隙與薄膜的內(nèi)應變(張應變)呈現(xiàn)線性減小關系。
　　 5.所有薄膜均具有4個PL發(fā)光峰：396nm(3.13eV，紫外)，446nm(2.78eV，藍帶)，482nm(2.576V，綠帶)和527nm(2.35eV，綠帶)，退火后PL發(fā)光峰顯著增

7、強。
　　 6.ZnO：In薄膜具有優(yōu)良的NO2氣敏特性，敏感工作溫度為275℃。1at.％In摻雜氣敏特性最好；膜越薄，靈敏度越高，膜厚為90nm時，對20ppmNO2氣體的敏感度高達16。
　　 7.ZnO：In薄膜具有明顯的Seebeck效應，Seebeck系數(shù)為負值，表明薄膜為n型半導體。1at.％In摻雜時，薄膜的功率因子為2.1×10-4W/K2·m，高于目前廣泛研究的p型熱電材料CuAlO2，表明ZnO：I