超聲噴霧熱解法制備ZnO基透明導電薄膜及其結(jié)構(gòu)和性能研究.pdf

1、ZnO基透明導電薄膜作為一種新型的 II-VI族直接寬禁帶氧化物半導體薄膜材料,因其優(yōu)異的光電、壓電特性以及高化學穩(wěn)定性和高性能價格比而具有廣闊的應用前景,被認為是繼In2O3:Sn(ITO)薄膜之后最有發(fā)展?jié)摿Φ耐该鲗щ姳∧げ牧现弧?br>　　本文利用自制的超聲噴霧熱解(USP)設備以乙酰丙酮鋅的水-乙醇混合溶液為前軀體溶液,用乙酰丙酮鋁、乙酰丙酮鎂作為摻雜劑,在玻璃襯底上分別制備了具有擇優(yōu)取向生長的ZnO薄膜、ZnO:Al(AZO

2、)薄膜和MgxZn1-xO薄膜,并利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、四探針以及紫外-可見光分光光度計(UV-Vis spectrometer analysis)等分析測試手段,研究了制備工藝(襯底溫度、噴口到襯底的距離、前驅(qū)體溶液濃度、沉積時間、退火溫度等)、摻雜濃度、退火工藝等對薄膜晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌和光電性能的影響。
　　實驗結(jié)果表明,適當?shù)纳L條件有利于制備高質(zhì)量的 ZnO薄膜:當襯底溫度為300℃,噴口

3、-襯底距離為3cm,前驅(qū)體溶液濃度為0.1mol/L,沉積時間為10min時,制備的ZnO薄膜c軸內(nèi)應力較小,晶粒尺寸較大,表面較平整,且具有高度的c軸擇優(yōu)取向。ZnO薄膜在空氣氣氛中退火后晶粒尺寸有所增大,且隨退火溫度升高薄膜的晶粒形狀由長條狀向圓片狀、棒狀轉(zhuǎn)變。同時,適當?shù)耐嘶饻囟瓤商岣弑∧さ慕Y(jié)晶性,但超過500℃的退火溫度反而會有損于薄膜的質(zhì)量。此外,隨著退火溫度升高, ZnO薄膜(002)衍射峰的強度增大,但取向性并沒有相應地增

4、強。
　　制備的ZnO:Al薄膜沿(101)晶面擇優(yōu)生長,表面晶粒呈扁豆狀。ZnO:Al薄膜的方塊電阻隨 Al摻雜濃度的增加,呈現(xiàn)先下降后增大的趨勢,在 Al摻雜濃度為4at％時,ZnO:Al薄膜取得最低方塊電阻4.4kΩ/sq。在真空氣氛中退火可以進一步改善薄膜的電學性能,500℃真空退火后可使薄膜方塊電阻降到106Ω/sq。薄膜在可見光波段的平均透光率在80%左右。而4at%Al摻雜的ZnO:Al薄膜樣品在550~600℃真空

5、退火后,透光率降到60%左右。這是因為真空退火提高了薄膜中氧空位的濃度,使薄膜的電學性能提高,光學性能下降。
　　制備的MgxZn1-xO薄膜仍然保持著ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu),沒有MgO相生成,Mg可以有效地溶入ZnO的晶格中。MgxZn1-xO薄膜具有良好的透光性,在可見光波段的光透過率在85%以上;隨著Mg含量的增加,MgxZn1-xO薄膜的吸收邊出現(xiàn)藍移現(xiàn)象,禁帶寬度從3.30eV增加到3.54eV,薄膜的透光范圍向紫外區(qū)域擴展