ZnO/Cu/ZnO透明导电薄膜的制备及性能研究

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透明导电薄膜在光电领域可以作为电极材料,具有着极为广泛的应用。本文利用磁控溅射技术在室温下制备了ZnO/Cu/ZnO透明导电薄膜,通过改变Cu夹层厚度、溅射气氛、薄膜退火温度等对薄膜性能进行研究。采用XRD、AFM、SEM、XPS、霍尔效应测量仪和紫外可见分光光度计等对薄膜的结构、形貌、电学及光学等性能进行表征。首先对不同Cu夹层厚度的ZnO/Cu/ZnO薄膜研究,结果表明,对于纯氩气气氛中生长的ZnO/Cu/ZnO薄膜,随着Cu膜厚度的增加,ZnO/Cu/ZnO膜的透光率先升高后降低,电阻率持续降低。当Cu膜厚度为10nm时,其综合性能达到最佳,此时电阻率为2.30×10-4Ω·cm,载流子浓度为6.0×1021cm-3,迁移率为4.83×10-5cm3·V-1·s-1,400800nm处平均透光率达到80.6%,最高透过率达88.4%。其次对Ar/O2和Ar/N2溅射气氛对薄膜的影响进行了研究。与纯氩气气氛下制备ZnO得到的ZnO/Cu/ZnO薄膜相比,氩氧混合气中制得的薄膜的晶粒尺寸明显减小,且薄膜的透光性与导电性均有所下降。氩氮混合气中生长的薄膜中,ZnO (002)晶面的半峰宽均有所增大,晶粒尺寸变小,含氮气氛下,N2/Ar=4:4时薄膜的综合性能最佳,电阻为20.8Ω/sq,400800nm平均透光率为78.8%。最后,对Cu层厚度为10nm的ZnO/Cu/ZnO薄膜进行真空退火处理,结果表明,退火前后薄膜均具有ZnO(002)择优取向。随着退火温度的升高,ZnO/Cu/ZnO薄膜的晶化程度、晶粒粒径及粗糙度增加,薄膜电阻率先降低后升高,光学透过率和禁带宽度先升高后降低。150℃下真空退火的ZnO/Cu/ZnO薄膜的性能最佳,400800nm处最高透光率为90.5%,平均透过率为81.6%,电阻率为1.28×10-4Ω·cm,载流子浓度为4.10×1021cm-3。综合以上研究结果,Cu层厚度为10nm的ZnO/Cu/ZnO薄膜经过150℃真空退火处理后的性能最佳。本研究表明我们研究的薄膜可应用于平板、太阳能电池、液晶显示器、有机发光二极管等领域,也为ZnO/Cu/ZnO透明导电薄膜的制备、优化及产业化提供了实验依据。
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