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ZnO基透明导电薄膜的低温制备及性能优化

作　者: 王钰萍
导　师: 吕建国；叶志镇
学　校: 浙江大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 透明导电 AZO薄膜 Cu膜多层结构光电特性低温制备
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

透明导电薄膜将透明和导电性能相结合,是一类具有鲜明特色的功能薄膜材料,广泛应用于太阳能电池、液晶显示器、节能玻璃等光电领域。在这类材料中,掺杂氧化锌(ZnO)是一种具有良好可见光透射性和类金属导电性的透明导电薄膜,相对目前应用最广的氧化铟锡(ITO)薄膜,具有材料来源丰富、价格低廉、无毒、容易实现低温沉积以及在氢等离子体环境中稳定等优势,是最有希望替代ITO的材料。本文采用直流反应磁控溅射技术在室温条件下制备Al掺杂ZnO (AZO)透明导电薄膜,着重研究了气体总压强、氧分压等工艺参数对薄膜性能的影响。为进一步提高薄膜的电学性能,我们利用双靶溅射制备了AZO和Cu的复合多层结构透明导电薄膜,主要研究了沉积Cu层时的工艺参数对薄膜性能的影响。通过研究得出以下主要结果：1、采用直流反应磁控溅射Zn-Al合金靶材,以普通玻璃为衬底,在室温条件下制备AZO薄膜。当A1含量(4at.%)、衬底温度(-25℃)、溅射压强(0.7Pa)等工艺参数一定时,氧分压的优化至关重要。当氧分压控制在0.027-0.052Pa之间时,AZO薄膜具有明显的c轴择优取向,表面相对平滑,晶粒堆垛致密均匀,电阻率达10-3Ω.cm量级,可见光透射率超过90%；氧分压为0.027Pa时,具有最低电阻率为4.11×10-3Ω.cm,最佳品质因子(OTC)为2.38×10-3Ω-1。2、在硬质玻璃衬底上制备了AZO/Cu、Cu/AZO和AZO/Cu/AZO三种多层结构透明导电薄膜,研究了Cu层厚度、AZO层厚度和适当加热时生长温度对薄膜性能的影响。Cu层厚度对薄膜光电性能影响较大,一般随Cu层厚度增加,薄膜电学性能明显改善,可见光透射性能略微下降；AZO层厚度对薄膜电学性能影响较小,但可以用来调控透射谱峰位；三种结构中,AZO/Cu具有最佳的光电综合性能,可同时获得21.7Ω/sq的低电阻和80%的可见光透射率,相应的OTC值为4.82×10-3Ω-1; Cu/AZO光电综合性能最差。适度加热有利于AZO/Cu和AZO/Cu/AZO两种薄膜光电综合性能的提升,150℃下制备的AZO/Cu双层薄膜具有最大OTC值为1.11×10-2Ω-1,且在较宽的近红外波长范围内反射率超过70%。3、针对ZnO基透明导电薄膜的柔性器件应用,在PC柔性衬底上制备了AZO/Cu、Cu/AZO和AZO/Cu/AZO三种多层结构薄膜,研究了Cu层沉积时间及溅射功率对薄膜性能的影响。一般,相同条件下制备的薄膜中,AZO/Cu具有最佳可见光透射性, AZO/Cu/AZO具有最佳导电性和近红外反射性,Cu/AZO光电性能最差。优化工艺参数后,AZO/Cu可获得的最大OTC值为3.47×10-3Ω-1,AZO/Cu/AZO为2.48×10-3Ω-1。

全文目录

前言  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-14
第一章绪论  14-27
  1.1 透明导电薄膜概述  14-15
  1.2 ZnO的性质  15-17
    1.2.1 ZnO的基本性质  15
    1.2.2 ZnO的光电特性  15-17
    1.2.3 ZnO的其它特性  17
  1.3 ZnO中的点缺陷  17-18
    1.3.1 ZnO中的本征点缺陷  17-18
    1.3.2 ZnO中的非本征点缺陷  18
  1.4 ZnO透明导电薄膜的制备技术  18-20
    1.4.1 真空蒸发镀膜  18-19
    1.4.2 磁控溅射镀膜  19
    1.4.3 化学气相沉积  19
    1.4.4 溶胶-凝胶法  19-20
    1.4.5 喷雾热分解法  20
  1.5 ZnO基透明导电薄膜的研究现状  20-23
    1.5.1 AZO透明导电薄膜的低温制备  21-22
    1.5.2 ZnO基多层透明导电薄膜的低温制备  22-23
  1.6 ZnO基透明导电薄膜的应用  23-25
    1.6.1 透明热镜  23-24
    1.6.2 薄膜太阳能电池  24
    1.6.3 平面显示器  24-25
    1.6.4 其它应用  25
  1.7 本文的立题思路  25-27
第二章实验原理及设备、薄膜制备及表征  27-33
  2.1 直流反应磁控溅射原理  27-28
  2.2 直流反应磁控溅射设备  28-29
  2.3 ZnO基透明导电薄膜的制备  29-31
    2.3.1 靶材的制备  30
    2.3.2 衬底的清洗  30
    2.3.3 溅射镀膜  30-31
  2.4 ZnO基透明导电薄膜的性能表征  31-33
第三章 AZO透明导电薄膜的室温制备及性能优化  33-45
  3.1 气体总压强对AZO透明导电薄膜光电特性的影响  34-35
  3.2 氧分压对AZO透明导电薄膜性能的影响  35-45
    3.2.1 氧分压对AZO透明导电薄膜沉积速率的影响  35
    3.2.2 氧分压对AZO透明导电薄膜结构性能的影响  35-37
    3.2.3 氧分压对AZO透明导电薄膜电学性能的影响  37-38
    3.2.4 氧分压对AZO透明导电薄膜光学性能的影响  38-42
    3.2.5 AZO透明导电薄膜的表面化学态分析  42-43
    3.2.6 小结  43-45
第四章 Cu基AZO多层结构薄膜的低温制备及性能优化  45-66
  4.1 Cu层厚度对多层薄膜性能的影响  46-56
    4.1.1 Cu层厚度对多层薄膜电学性能的影响  47-49
    4.1.2 Cu层厚度对多层薄膜结构性能的影响  49-50
    4.1.3 Cu层厚度对多层薄膜光学性能的影响  50-53
    4.1.4 Cu层厚度对多层薄膜品质因子的影响  53-54
    4.1.5 三种多层薄膜的热稳定性研究  54-56
    4.1.6 小结  56
  4.2 AZO层厚度对多层结构薄膜性能的影响  56-59
    4.2.1 AZO层厚度对AZO/Cu双层薄膜电学性能的影响  57
    4.2.2 AZO层厚度对AZO/Cu双层薄膜光学性能的影响  57-58
    4.2.3 AZO层厚度对AZO/Cu双层薄膜品质因子的影响  58-59
  4.3 不同生长温度下的Cu基AZO多层结构薄膜的性能研究  59-66
    4.3.1 生长温度对多层薄膜电学性能的影响  59-60
    4.3.2 生长温度对多层薄膜光学性能的影响  60-62
    4.3.3 生长温度对多层薄膜品质因子的影响  62-63
    4.3.4 生长温度对AZO/Cu双层薄膜结构性能的影响  63-65
    4.3.5 小结  65-66
第五章柔性Cu基AZO多层结构薄膜的制备及性能优化  66-78
  5.1 Cu层沉积时间对多层结构薄膜性能的影响  66-71
    5.1.1 Cu层沉积时间对多层薄膜电学性能的影响  67-68
    5.1.2 Cu层沉积时间对多层薄膜光学性能的影响  68-70
    5.1.3 Cu层沉积时间对多层薄膜品质因子的影响  70-71
    5.1.4 小结  71
  5.2 Cu层溅射功率对多层结构薄膜性能的影响  71-78
    5.2.1 Cu层溅射功率对多层薄膜电学性能的影响  71-72
    5.2.2 Cu层溅射功率对多层薄膜光学性能的影响  72-73
    5.2.3 Cu层溅射功率对多层薄膜品质因子的影响  73-74
    5.2.4 Cu层溅射功率对AZO/Cu双层薄膜结构性能和化学特性的影响  74-76
    5.2.5 小结  76-78
第六章结论  78-80
参考文献  80-88
致谢  88-89
个人简历  89-90
攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果  90

ZnO基透明导电薄膜的低温制备及性能优化

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