摻鈦氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜和壓敏電阻的制備及其物理性能研究.pdf

1、采用固相反應(yīng)法制備了摻鈦氧化鋅壓敏陶瓷和靶材。采用磁控濺射法制備了摻鈦氧化鋅(TZO)透明導(dǎo)電薄膜、n-TZO/p-Bi2O3和n-TZO/p-Bi2O3/n-TZO薄膜。采用正電子技術(shù)、XRD和SEM對(duì)材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。測(cè)量了不同TiO2含量的ZnO基壓敏陶瓷的壓敏電壓、漏電流和非線性系數(shù)，討論了TiO2含量對(duì)ZnO基壓敏陶瓷電性能和微結(jié)構(gòu)的影響。用霍爾效應(yīng)分析儀和物理性能測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)測(cè)試了TZO透明導(dǎo)電薄膜的載流子濃度

2、、霍爾系數(shù)和電阻率。用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)和PL譜儀測(cè)試了薄膜的透射光譜及發(fā)射光譜，計(jì)算了TZO薄膜可見(jiàn)光的平均透過(guò)率和光學(xué)帶隙，探討了TZO薄膜制備過(guò)程中靶材制備工藝、濺射工藝及退火工藝對(duì)TZO透明導(dǎo)電薄膜微結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。研究了n-TZO/p-Bi2O3及n-TZO/p-Bi2O3/n-TZO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)以及電學(xué)性能。得到如下主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
　　(1)測(cè)試了不同TiO2含量的ZnO基壓敏陶瓷正電子壽命譜及電性能。當(dāng)T

3、iO2含量低于1.8mol％時(shí)，壓敏陶瓷的正電子平均壽命隨TiO2摻雜量的增加而降低，TiO2含量為1.8mol％的壓敏陶瓷中正電子平均壽命達(dá)到最小值。當(dāng)TiO2摻雜含量高于1.8mol％時(shí)，壓敏陶瓷的平均壽命隨TiO2含量的增加而增加。且TiO2含量為1.8mol％的壓敏陶瓷樣品具有較好的壓敏性能:較低的壓敏電壓VB，較低的漏電流IL和較高的非線性系數(shù)α。
　　(2)靶材中TiO2含量、靶材燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間對(duì)TZO透明導(dǎo)電薄膜

4、的光電性能均有重要影響。不同靶材工藝制備的TZO薄膜均為C軸擇優(yōu)取向的多晶六角鉛鋅礦納米薄膜。以TiO2含量為2.0wt％，燒結(jié)溫度為1300-1450℃，保溫時(shí)間為6小時(shí)獲得的摻鈦氧化鋅靶材所制備的TZO薄膜樣品在可見(jiàn)光區(qū)的平均透過(guò)率較高，達(dá)到了91％;且具有較高的載流子濃度和較大的載流子遷移率，電阻率低至8.47×10-4Ω·cm;所有TZO薄膜電阻率會(huì)隨溫度發(fā)生改變，當(dāng)溫度從10K上升到350K，薄膜電阻率先下降然后上升，150k

5、附近出現(xiàn)電阻率的最小值，表明此溫度下雜質(zhì)激發(fā)產(chǎn)生的載流子濃度達(dá)到飽和。
　　(3)濺射壓強(qiáng)和濺射氣氛對(duì)TZO薄膜光電性能影響顯著。不同濺射工藝所獲得的薄膜樣品均為良好的C軸擇優(yōu)取向的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)多晶納米薄膜。利用高純氬氣濺射時(shí)，當(dāng)濺射壓強(qiáng)為0.5Pa時(shí)，薄膜結(jié)晶度好、比較平整致密、缺陷濃度少、平均晶粒尺寸較大，薄膜光電性能較好，可見(jiàn)光區(qū)平均透過(guò)率超過(guò)91％，電阻率低至4.13×10-4Ω·cm。有氧濺射制備的薄膜樣品在可見(jiàn)光區(qū)平

6、均透過(guò)率較低（僅75％），光學(xué)帶隙較小，電阻率較高。且不同濺射氣氛制備的薄膜電阻率隨溫度變化的規(guī)律不同:當(dāng)溫度從10K升高到350K的過(guò)程中，無(wú)氧濺射的TZO薄膜電阻率隨溫度先降低然后升高;而有氧濺射的薄膜電阻率卻隨溫度的升高而下降。
　　(4)退火氣氛對(duì)TZO薄膜光電性能有較大的影響。將TZO薄膜分別在氬氣、氮?dú)?、真空氣氛?00℃退火40分鐘，薄膜結(jié)構(gòu)仍為C軸擇優(yōu)取向的多晶六角鉛鋅礦納米薄膜，結(jié)晶性能得到了改善，晶粒尺寸有所增

7、加，薄膜表面更加平整致密;其可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率已達(dá)92％;電阻率達(dá)到了3.32×10-4Ω·cm，導(dǎo)電性能的提高主要由于薄膜在退火過(guò)程中缺陷回復(fù)，減弱了缺陷對(duì)載流子的散射，從而大幅提高了載流子的遷移率，而其載流子濃度變化不大。氬氣中退火對(duì)光電性能改善的效果最佳。退火后的TZO薄膜的電阻率隨溫度變化規(guī)律仍然是隨溫度先降低后升高。
　　(5)采用射頻磁控濺射法，在Au膜（或ITO膜）上分別制備了的n-TZO薄膜、p-Bi2O3薄膜、n-T

8、ZO/p-Bi2O3薄膜、n-TZO/p-Bi2O3/n-TZO復(fù)合薄膜。TZO薄膜為電導(dǎo)率較好的n型薄膜，是C軸擇優(yōu)取向多晶納米薄膜;而B(niǎo)i2O3膜為電導(dǎo)率較低的P型薄膜，具有明顯的沿著(2O1)晶面取向生長(zhǎng)的特點(diǎn)。n-TZO/p-Bi2O3電性能測(cè)試表明其具有pn結(jié)的伏安特性，其中ITO襯底上的雙層膜漏電流較小，pn結(jié)的伏安特性更加明顯。n-TZO/p-Bi2O3/n-TZO復(fù)合薄膜具有明顯的壓敏特性。比較n-TZO/p-B i2O