新型透明導電氧化物薄膜的研究.pdf

1、本文采用直流磁控反應濺射金屬鑲嵌靶In／Mo和In／W制備高價態(tài)差摻鉬氧化銦(In203：Mo，IMO)和摻鎢氧化銦(In203：W，IWO)透明導電薄膜，詳細研究了氧分量、濺射電流、沉積溫度等工藝參數(shù)對IMO和IWO薄膜電學和光學性能的影響：利用XRD，AFM，XPS等分析手段對薄膜進行表征；也采用渠道火化燒蝕技術沉積了IMO薄膜。本文還在未加熱襯底上沉積IMO薄膜，探索室溫沉積IMO薄膜的工藝條件。首次采用鉑鎢共摻調制透明導電IWO

2、薄膜的表面功函數(shù)，采用UPS表征樣品的表面功函數(shù)的變化，利用XRD、XPS、AFM等分析表征鉑鎢共摻后IWO薄膜的結構、化學價態(tài)以及表面粗糙度等的變化。為了理解高價態(tài)元素(Mo或W)摻雜與傳統(tǒng)的Sn摻雜In203的差別，首次采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，計算了Mo和W摻雜的In203體系的電子結構及其能帶結構，分析摻雜原子對導帶底部態(tài)密度的影響，揭示載流子的產(chǎn)生機理。同時也采用固態(tài)反應法制備p型SrCu202、CuAl02和

3、CuFe02陶瓷，并用渠道火化燒蝕技術制備了p型SrCu202、CuAl02和CuFe02薄膜，采用XRD，AFM分析其結構和表面形貌。研究結果表明： 反應直流磁控濺射技術和渠道火花燒蝕技術制備的IMO透明導電薄膜均為多晶的方鐵錳礦結構；他們的結晶性均比反應熱蒸發(fā)的結晶性好。直流磁控濺射制備的IMO薄膜的最低電阻率為3．7x10～ohm．cm，載流子遷移率最高為50cm2V-ls-‘；CSA制備的IMO最低電阻率達到4．8x10

4、～ohm．cm，載流子遷移率最高為49．6cm2V-!s～。IMO薄膜在可見光區(qū)平均透射率大于80％。 首次開發(fā)了新型高遷移率IWO薄膜；IWO薄膜的最佳電阻率為2．7x10-4ohm．cm，最高載流子遷移率為57cm2V-Is～；其可見光透射率大于80％，有效直接光學帶隙大于3．9eV，電子載流子的約化有效質量mVC*．為0．54me。摻入w后薄膜遷移率均大于未摻雜的In203薄膜的遷移率。 在IWO薄膜中，W原子替代

5、了111203晶格中的In原子的位置，沒有形成新的化合物，也沒有改變In203的方鐵錳礦晶格結構。在低的濺射電流沉積的IWO中W以W6+形式存在；而在高的濺射電流沉積IWO中W以W6+和w4+共存。IWO薄膜中的結晶最佳取向為(222)或(400)，兩者的相對強弱與氧分壓、摻雜含量、襯底溫度、濺射電流以及工作壓強等工藝參數(shù)密切相關。 直流反應磁控濺射室溫制備的IMO薄膜是非晶態(tài)結構組織，薄膜的表面平整光滑。室溫沉積的IMO薄膜的

6、光電性能對沉積過程的氧分壓非常敏感。最佳的電阻率低至5．9x10～ohm．cm，載流子遷移率為20．2cm2V-1s～：其可見光透射率大于80％。 首次通過共摻在IWO薄膜上生長一層10nmIn203：Pt，W表面修飾層后，薄膜的表面功函數(shù)增加到5．5eV，表面功函數(shù)增加了0．8eV，能夠與有機發(fā)光器件的空穴輸運層的HOMO相匹配。調制前、后的IWO薄膜表面粗糙度基本沒有變化。Pt在調制層中以pt2+和pt~存在。In203：P

7、t,W／IWO薄膜的可見光平均透射率大于80％，其有效光學禁帶寬度為3．97eV。 計算結果說明，未摻雜的In203的價帶頂主要源于O的2p態(tài)的貢獻，導帶底主要源于In的5s態(tài)的貢獻；摻雜對價帶項沒有顯著影響，而對導帶底有著較大的影響，In203：Sn的導帶底主要源于Sn和In的5s態(tài)的貢獻，IWO和IMO的導帶底分別主要源于摻雜原子W的5d態(tài)和Mo的4d態(tài)的貢獻；要獲得相同的載流子濃度，摻雜W和Mo的濃度可遠小于Sn的濃度；能