磁控濺射法制備ZnO透明導電薄膜組織與性能研究.pdf

1、ZnO透明導電薄膜作為一種重要的新興光電子信息材料，不僅具有在可見光區(qū)高的透過率、在紅外區(qū)高的反射率以及較高的電導率等光電特征，而且具有成本低、資源豐富(約是In含量的1000倍)、無毒性、高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢，有望成為ITO薄膜的替代產(chǎn)品，并在太陽能電池、液晶顯示器、電磁防護屏等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本課題研究以純度為99.9％的ZnO納米粉體和99.99％的Ga2O3粉體為原料，采用了冷等靜壓法+高溫燒結(jié)，優(yōu)化工藝獲得質(zhì)

2、量優(yōu)良的ZnO系靶材，研究射頻濺射法在硬質(zhì)襯底(普通玻璃)和柔性襯底(聚酰亞胺，簡稱PI)上制備ZnO透明導電薄膜，利用XRD、EDS和AFM等現(xiàn)代分析手段研究了薄膜的化學成份、相組成和微觀形貌，研究了薄膜的光學和電學特性，并對薄膜的透光和導電機制進行了討論。 實驗結(jié)果表明：以純度為99.9％的ZnO納米粉體和99.99％的Ga2O3粉體為原材料，采用冷壓成型和優(yōu)化的燒結(jié)工藝，成功制成了具有27.72％的收縮率的單一ZnO靶材和

3、27.65％的收縮率的ZnO/Ga2O3復合靶材，并滿足了實驗用射頻磁控濺射制備ZnO系薄膜靶材的高致密度要求。 射頻磁控濺射法制備ZnO系薄膜的研究表明：采用純度為99.9％的自制ZnO系靶材為濺射靶，設(shè)計和優(yōu)化了射頻磁控濺射制備ZnO系薄膜的工藝，并分別以普通玻璃和有機聚酰亞胺(PI)為襯底在高純的氬氣中成功制備了單一ZnO薄膜和ZnO/Ga2O3復合薄膜，研究了主要濺射參數(shù)對薄膜的微觀形貌(AFM圖)的影響規(guī)律。獲得的最佳

4、的工藝條件為：濺射功率70W、濺射氬氣分壓0.1Pa，靶材—基體間距70mm，濺射時間60min，真空度為6×10-5Pa。 利用X射線衍射儀(XRD)、電子探針(EPMA)、能譜分析(EDS)、原子力顯微鏡(AFM)等分析手段對所制得的薄膜成分、相組成及微觀形貌研究表明：實驗制備的ZnO系透明導電薄膜為多晶六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有(002)面的擇優(yōu)生長取向，其中Ga原子以替位式出現(xiàn)在晶格中。濺射過程中無需對襯底進行加熱，濺射后也無

5、需對薄膜進行退火處理；ZnO系透明導電薄膜呈柱狀生長，結(jié)構(gòu)非常緊密，并且離開玻璃襯底越近，晶粒越小。ZnO系表面微觀形貌為細小島狀的連續(xù)膜。 劃痕法測試薄膜——基體界面結(jié)合強度(附著力)結(jié)果表明：在玻璃襯底和聚酰亞胺襯底上制備的高質(zhì)量的薄膜都具有良好的附著性。其中，聚酰亞胺襯底上制備的薄膜經(jīng)過多次折疊，沒有發(fā)現(xiàn)龜裂和脫落現(xiàn)象。 ZnO/Ga2O3薄膜的光學特性測試和分析表明：在玻璃襯底和聚酰亞胺襯底上沉積ZnO/Ga2O

6、3薄膜在可見光范圍內(nèi)的最高透光率分別達到了94％和80％。此外，由于柔性襯底本身帶隙較窄(2.82eV)，使得聚酰亞胺襯底薄膜的透光率曲線的吸收邊不同與玻璃襯底薄膜，而向長波方向移動。ZnO薄膜的透光機制在于：ZnO是一種寬禁帶直接帶隙半導體材料，價電子所處的能帶是滿的。它不能吸收光子而自由運動，而可見光區(qū)的光子能量又不足以使價電子躍遷到導帶，并且ZnO中的缺陷和外部摻雜可顯著地改變它的禁帶寬度。所以提高ZnO薄膜的透光率要控制它的生長

7、條件，使得晶粒尺寸合適，晶粒取向性好且結(jié)構(gòu)致密。 ZnO/Ga2O3薄膜的ZnO薄膜的電學特性測試和分析表明：玻璃襯底和聚酰亞胺襯底上制備的ZnO/Ga2O3薄膜最小電阻率分別為2.25×10-3Ω.cm和7.51×10-2Ω.cm，聚酰亞胺薄膜的電阻率要大一些，其原因可能是聚酰亞胺襯底表面惰性大，與ZnO薄膜的晶格匹配不如玻璃襯底好。單一ZnO膜的電阻率高達106Ω.cm，而摻Ga的ZnO/Ga2O3(或ZnO：Ga)復合薄膜