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p型CuAlO_2多晶靶材及薄膜制备研究

作　者: 兰军
导　师: 刘翔
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: p型透明导电氧化物铜铁矿 CuAlO2 固相烧结脉冲激光沉积
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

p型铜铁矿型CuAlO2(CAO)材料可用于制备全透明半导体器件,具有较为广阔的应用前景。然而,制备电导率和透过率性能良好的CuAlO2薄膜一直是一个难题。本论文通过固相烧结合成制备CuAlO2陶瓷靶材,然后采用脉冲激光沉积技术(PLD)在蓝宝石衬底上制备了CuAlO2薄膜,同时,为了提高CuAlO2的电学和光学性能,首次对Co掺杂CuAlO2进行了初步研究。实验以分析纯微米级Al2O3和Cu2O粉体为原料,采用固相烧结法制备铜铁矿型透明导电氧化物CuAlO2陶瓷靶材,通过XRD、R-T、Raman和SEM等测试方法对其进行结构和性能表征,研究烧结反应温度及时间对靶材结构、密度、电导率的影响。获得最佳烧结制备CuAlO2陶瓷靶材的实验条件为——烧结温度1150℃、烧结时间10h,实验获得了物相较纯、密度达4.83g/cm3的p型CuAlO2陶瓷靶材,靶材室温电导率为1.3×10-2S.cm-1,由电导率温度曲线计算出CuAlO2靶材热激活能为0.265eV。以制备的CuAlO2靶材为材料,使用脉冲激光沉积技术在蓝宝石衬底上制备了CuAlO2薄膜,并进行了后退火研究。用XRD、R-T、XPS、UV-vis等对薄膜进行表征和分析。研究了在大气条件下后退火温度和时间对薄膜结构和性能的影响。XRD测试表明退火温度为1050℃、时间为10min得到沿(00l)方向择优生长的薄膜结晶质量最好。XPS分析表明：Cu元素主要以+1价存在,Al元素仅以+3价存在,与CuAlO2中元素的价态相吻合。测试了薄膜的紫外可见光透过率,薄膜在可见光区的透过率约为70%。由电导率温度曲线计算出CuAlO2薄膜热激活能为0.304eV。为了改善CuAlO2材料的导电能力,首次尝试使用Co替代Al位掺杂,按照优化的实验条件成功制备了CuAl1-xCoxO2靶材和薄膜。随着掺杂比例的增加,靶材中CuO的杂相的含量随着增加。XRD谱图中并没有发现Co氧化物的峰,可能是Co含量较少或部分实现了Al位替代。其中还有少量Co2AlO4杂相产生。用脉冲激光沉积法制备了掺杂后的一系列薄膜,经后退火工艺得到了结晶质量较好的CuAl1-xCoxO2薄膜。但是薄膜的电阻仍然很大,可能的原因是薄膜表面岛结构的形成。薄膜中过量Co元素进入了薄膜的晶界处,形成了吸收和散射中心,阻碍了载流子的迁移。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 透明导电氧化物的研究背景  8-11
  1.2 CuAlO_2薄膜的研究进展  11-15
    1.2.1 CuAlO_2薄膜的晶体结构  11-12
    1.2.2 CuAlO_2薄膜制备工艺及国内外研究进展  12-15
  1.3 CuAlO_2薄膜的应用前景与研究展望  15-17
  1.4 掺杂改善CuAlO_2的电导率  17
  1.5 本论文的研究目的和内容  17-19
第二章薄膜样品的制备及表征方法  19-29
  2.1 制备方法  19-21
    2.1.1 脉冲激光沉积的基本原理  19-20
    2.1.2 脉冲激光沉积的特点和优势  20-21
  2.2 样品的结构和性能测试  21-28
    2.2.1 X射线衍射  21-22
    2.2.2 粒度测试  22
    2.2.3 拉曼光谱测试  22-23
    2.2.4 R-T测试  23-24
    2.2.5 密度测试  24-25
    2.2.6 热探针法  25-26
    2.2.7 SEM测试  26
    2.2.8 X射线光电子能谱  26-27
    2.2.9 薄膜的光学性能测试  27-28
  2.3 本章小结  28-29
第三章 CuAlO_2靶材制备及陶瓷性能研究  29-46
  3.1 CuAlO_2粉末的制备和性能研究  29-37
    3.1.1 CuAlO_2粉末的制备工艺  29-30
    3.1.2 CuAlO_2粉末的XRD测试  30-33
    3.1.3 CuAlO_2粉末粒度测试  33-37
  3.2 CuAlO_2靶材的制备及其性能研究  37-43
    3.2.1 CuAlO_2靶材的制备工艺  37-38
    3.2.2 CuAlO_2靶材的XRD测试分析  38
    3.2.3 CuAlO_2靶材的密度测试分析  38-39
    3.2.4 CuAlO_2靶材的R-T测试分析  39-41
    3.2.5 CuAlO_2靶材的拉曼光谱分析  41-42
    3.2.6 热探针法测靶材的导电类型  42-43
    3.2.7 CuAlO_2靶材的SEM测试分析  43
  3.3 掺Co的CuAl_(1-x)Co_xO_2靶材制备和性能研究  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章 CuAlO_2薄膜制备及其表征  46-59
  4.1 CuAlO_2薄膜的制备  46-50
    4.1.1 紫外脉冲激光沉积(PLD)装置  46-47
    4.1.2 衬底选择与衬底清洗  47-48
    4.1.3 镀膜工艺流程  48
    4.1.4 PLD法制备CuAlO_2薄膜  48-50
  4.2 热处理对薄膜结构的影响  50-53
  4.3 薄膜的性能测试  53-57
    4.3.1 薄膜的XPS测试  53-55
    4.3.2 薄膜的R-T测试  55-56
    4.3.3 薄膜的光学性能测试  56-57
  4.4 掺Co的CuAl_(1-x)Co_xO_2薄膜制备和结构研究  57-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章结论与展望  59-61
  5.1 结论  59-60
  5.2 展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-66
附录:攻读硕士期间发表论文目录  66

p型CuAlO_2多晶靶材及薄膜制备研究

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