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Sn、Al共掺杂ZnO薄膜的制备及其性能研究

作　者: 胡仁杰
导　师: 李合琴
学　校: 合肥工业大学
专　业: 材料学
关键词: ZATO薄膜射频磁控溅射掺杂浓度光学性能电学性能
分类号: TN304.055
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

透明导电氧化物薄膜材料因为其优异的导电性和光学性能可作为透明电极，在太阳能电池、液晶显示、发光二极管等光电领域得到广泛应用。如今，研究最成熟、应用最广泛的透明导电氧化物材料为铟锡氧化物（ITO）。但是铟为稀有金属，价格昂贵，并且具有毒性，人们开始寻求新的材料来替代ITO。ZnO有较高的自然储备，价格低廉，环境友好，而掺杂ZnO基薄膜拥有较好的光电性能，因此掺杂ZnO较有可能替代ITO材料作为透明电极。本文采用不同质量比的SnO₂、Al₂O₃、ZnO混合粉末烧结制备了陶瓷靶材，用射频磁控溅射方法制备了Sn、Al共掺杂ZnO透明导电薄膜（ZATO）。利用XRD、AFM、SEM、XPS、UV-VIS、四探针测试仪和多功能薄膜表面性能测试仪等对薄膜的结构和性能进行了表征。详细研究了ZATO薄膜制备过程中溅射气压、射频溅射功率、氧氩比、退火气氛、退火温度、退火时间对ZATO薄膜的结构、表面形貌、电阻率、可见光透过率的影响；研究了不同Sn掺杂含量对ZATO薄膜的结构、表面形貌、电阻率、可见光透过率的影响。在本实验的制备条件下，最佳的靶材组分质量比SnO₂:Al₂O₃:ZnO为3:1:96，此时制备的ZATO薄膜具有较低的电阻率7.46×10-3·cm，可见光透过率为88.6%，薄膜与玻璃衬底的结合力为33N。最佳的磁控溅射制备工艺为：溅射压强1.0Pa，射频功率120W，氧氩比0.2:20。玻璃衬底上制备ZATO的最优退火工艺为：Ar气氛退火，退火温度450℃，退火时间1小时。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-7
致谢  7-10
插图清单  10-12
表格清单  12-13
第一章绪论  13-26
  1.1 透明导电材料  13-16
    1.1.1 透明导电材料介绍  13-14
    1.1.2 透明导电材料的发展  14-16
  1.2 透明导电材料的制备技术  16-18
    1.2.1 真空蒸发镀膜  16-17
    1.2.2 溅射镀膜  17
    1.2.3 化学气相沉积  17-18
    1.2.4 溶胶-凝胶法  18
  1.3 ZnO 的基本性质  18-20
  1.4 ZnO 薄膜的研究进展  20-23
    1.4.1 ZnO 的一元掺杂  20-23
    1.4.2 ZnO 的二元共掺杂  23
  1.5 ZnO 薄膜的应用  23-24
  1.6 本文研究的目的、内容和创新点  24-26
    1.6.1 研究目的  24-25
    1.6.2 研究内容  25
    1.6.3 本文的创新点  25-26
第二章 Al、Sn 共掺杂 ZnO 薄膜样品的制备及表征  26-40
  2.1 实验靶材的制备  26-29
  2.2 磁控溅射技术  29-32
    2.2.1 直流放电和射频放电原理  29-30
    2.2.2 溅射现象与溅射机理  30-31
    2.2.3 磁控溅射原理  31-32
  2.3 Al、Sn 共掺杂 ZnO 薄膜的制备  32-34
    2.3.1 实验设备简介  32-33
    2.3.2 实验材料  33
    2.3.3 衬底清洗  33-34
    2.3.4 薄膜的制备过程  34
  2.4 薄膜表征方法与设备  34-39
    2.4.1 X 射线衍射分析仪(XRD)  34-35
    2.4.2 原子力显微镜(AFM)  35-36
    2.4.3 X 射线光电子能谱仪(XPS)  36-37
    2.4.4 扫描电子显微镜(SEM)  37-38
    2.4.5 紫外-可见分光度计  38
    2.4.6 四探针测试仪  38
    2.4.7 材料表面性能测试仪  38-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章磁控溅射法制备 ZnO:Al-Sn 薄膜及其性能研究  40-61
  3.1 溅射气压与 ZATO 薄膜性能  40-42
  3.2 溅射功率与 ZATO 薄膜性能  42-47
    3.2.1 溅射功率对 ZATO 薄膜结构的影响  42-44
    3.2.2 溅射功率与 ZATO 薄膜表面形貌  44-45
    3.2.3 溅射功率与 ZATO 薄膜电阻率  45-46
    3.2.4 溅射功率与 ZATO 薄膜光学性能  46-47
  3.3 氧氩比对 ZATO 薄膜性能的影响  47-54
    3.3.1 氧氩比对 ZATO 薄膜结构与沉积速率的影响  49-52
    3.3.2 氧氩比对 ZATO 薄膜光电性能的影响  52-54
  3.4 退火对 ZATO 薄膜性能的影响  54-59
    3.4.1 退火气氛与 ZATO 薄膜结构  54-56
    3.4.2 退火气氛与 ZATO 薄膜电学性能  56-57
    3.4.3 退火温度与 ZATO 薄膜结构  57-58
    3.4.4 退火工艺与 ZATO 薄膜电学性能  58-59
  3.5 本章小结  59-61
第四章不同 Sn 浓度对 ZnO:Al-Sn 薄膜性能的影响  61-70
  4.1 不同 Sn 浓度与 ZATO 薄膜结构形貌  61-64
  4.2 不同 Sn 浓度与 ZATO 薄膜光学性能  64-65
  4.3 不同 Sn 浓度与 ZATO 薄膜电学性能  65-66
  4.4 ZATO 薄膜的 XPS 分析  66-67
  4.5 ZATO 薄膜的膜基结合力  67-68
  4.6 本章小结  68-70
结论  70-72
参考文献  72-79
攻读硕士学位期间发表的论文  79-80

Sn、Al共掺杂ZnO薄膜的制备及其性能研究

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