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Ga掺杂ZnO透明导电薄膜的制备与光电性能研究

作　者: 周科
导　师: 方亮
学　校: 重庆大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 射频磁控溅射 GZO薄膜 光电性质 塞贝克效应
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


氧化锌(ZnO)是II-VI族直接带隙(3.3eV)半导体氧化物,由于其优良的光电特性等,在发光器件、紫外探测器、太阳能电池、气敏元件以及声表面波器件等领域得到了广泛的应用。与现在常用的透明导电(TCO)薄膜ITO和SnO2:F薄膜相比,ZnO薄膜具有价格便宜,在活性氢和氢等离子体环境下稳定性高等优点而备受青睐。为提高ZnO的导电性能,常采用Al、In、Ga等元素掺杂,由于Ga的离子半径和共价键长度(0.62 ?和1.26 ?)与Zn非常相近(0.74 ?和1.34 ?),高掺杂浓度下导致ZnO的晶格畸也较小,因此,有必要研究Ga掺杂ZnO(GZO)薄膜,以期获得质量更优的TCO膜。本文采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备了高质量的GZO透明导电膜,研究了衬底温度、Ga掺杂浓度、薄膜厚度等对薄膜性能的影响;用XRD、AFM、SEM、XPS和紫外-可见双光束分光光度计等测试手段对沉积的薄膜进行了表征和分析;研究了薄膜的结构、电学、光学、热电性能。通过实验和研究分析,得出以下主要结果:1.制备的GZO薄膜为六角纤锌矿多晶结构,具有(002)择优取向,晶粒大小为10~30nm,适量的Ga掺杂浓度及衬底温度能够提高结晶质量,增大晶粒尺寸,使薄膜表面更加致密。2. XPS分析表明:Zn和Ga元素分别以Zn2+和Ga3+形式存在,未发现其它价态的Zn和Ga元素,薄膜中Ga含量比靶中Ga含量稍高。3.膜厚、掺杂浓度、衬底温度对GZO薄膜的电阻率有较大影响,增大厚度、中等掺杂浓度、中等衬底温度,利于获得高导电性能。4. GZO薄膜的可见光透射率平均值均在80%以上,随着掺杂浓度的提高,薄膜的光吸收边会向短波方向移动,发生“蓝移”现象,重掺杂又会导致“红移”产生,这与“B-M”效应和多体效应的联合作用有关。5. GZO薄膜具有较强的热电效应,温差电动势为负,表明GZO为n型导电;随着膜厚增加,赛贝克系数增大;1at.%Ga掺杂时,Seebcek系数绝对值为最大值74.77μV/K。6. GZO薄膜具有较强的磁阻效应,磁阻随磁场强度和薄膜迁移率的增大而增大。磁场强度为2.15T时,3at%Ga掺杂GZO薄膜的磁阻率为最大值0.77%。7.综合光、电性能,提出沉积GZO薄膜的优化工艺条件为:掺杂浓度3at.%,衬底温度300℃,工作压强2Pa,靶基距7cm,功率160W。在此条件下制备的ZnO:Ga薄膜电阻率为1.44×10-3?.cm,平均透光率在80%以上,达到了透明导电膜的性能要求。

全文目录


中文摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-25
  1.1 透明导电薄膜的研究现状  9-12
    1.1.1 Cd_2SnO_4 薄膜体系  9-10
    1.1.2 SnO_2 基透明导电薄膜  10-11
    1.1.3 In_2O_3 基透明导电薄膜  11
    1.1.4 ZnO 基透明导电薄膜  11-12
  1.2 透明导电氧化物薄膜的应用  12-16
  1.3 关于ZnO 薄膜的研究  16-20
    1.3.1 ZnO:AI 透明导电薄膜  17-19
    1.3.2 ZnO:In 透明导电薄膜  19
    1.3.3 ZnO:Ga 透明导电薄膜  19-20
    1.3.4 其它元素掺杂的ZnO 透明导电薄膜  20
  1.4 ZnO 薄膜的制备方法  20-24
    1.4.1 选取衬底材料和沉积缓冲层  20-21
    1.4.2 薄膜主要制备技术  21-24
  1.5 研究意义、研究内容和创新点  24-25
2 薄膜的制备与表征  25-33
  2.1 射频磁控溅射  25-26
  2.2 GZO 薄膜的制备过程  26-29
    2.2.1 实验装置  26-27
    2.2.2 实验前期准备工作  27
    2.2.3 薄膜沉积过程  27-28
    2.2.4 GZO 薄膜的制备条件  28-29
  2.3 GZO 薄膜性能测试  29-33
    2.3.1 晶体结构的表征方法（XRD）  29
    2.3.2 薄膜表面形貌测试  29-30
    2.3.3 薄膜的成分及各元素化学态的测试  30
    2.3.4 薄膜透射光谱测试  30-31
    2.3.5 薄膜厚度以及Hall 效应的测量  31-32
    2.3.6 温差电动势的测量  32-33
3 GZO 薄膜的结构形态  33-44
  3.1 衬底温度对薄膜结构形态的影响  33-39
  3.2 沉积厚度对薄膜的影响  39-41
  3.3 掺杂浓度对薄膜结构特性的影响  41-43
  3.4 本章小结  43-44
4 GZO 薄膜的电学特性  44-48
  4.1 衬底温度对薄膜电学特性的影响  44-45
  4.2 不同沉积厚度对GZO 薄膜电学性能的影响  45-46
  4.3 不同掺杂浓度对GZO 薄膜电学性能的影响  46-47
  4.4 本章小结  47-48
5 GZO 薄膜的光学特性  48-55
  5.1 衬底温度对GZO 光学性能的影响  48-51
  5.2 沉积厚度对薄膜光学特性的影响  51-52
  5.3 掺杂浓度对薄膜光学特性的影响  52-53
  5.4 本章小结  53-55
6 GZO 薄膜的热电特性及磁阻特性  55-62
  6.1 沉积厚度对薄膜热电性能的影响  56-58
  6.2 掺杂浓度对GZO 薄膜热电性能的影响  58
  6.3 磁场对GZO 薄膜热电性能的影响  58-60
  6.4 磁阻特性研究  60-61
  6.5 本章小结  61-62
7 结论与展望  62-64
  7.1 主要结论  62-63
  7.2 后续工作与展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-70
附录  70-71
  A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  70-71
  B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目  71

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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