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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Al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(ΦTc)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ФTC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φTC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ФTC值为3.47×10-3Ω-1,AZO/Cu/AZO为2.48×10-3Ω-1。