氟镧共掺杂二氧化锡薄膜光学和电学性能的研究

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二氧化锡基透明导电氧化物薄膜广泛应用于太阳能电池和低辐射节能玻璃等领域。本文选用La和F作为掺杂元素,采用超声雾化辅助化学气相沉积(AACVD)法在石英玻璃片上制备了不同掺杂浓度(在前驱液中F/Sn固定为30 at.%,La/Sn为1~4 at.%)氟、镧共掺杂的二氧化锡(LFTO)薄膜,利用XRD、SEM、AFM、XPS、EDS、PL、DRS等技术方法对薄膜进行了表征;利用紫外-可见分光光度计、四探针方阻仪和霍尔效应仪对薄膜的光学和电学性能进行了测试,并计算了不同薄膜样品的品质因数,通过分析对比薄膜的光学和电学性能,找出了镧的最佳掺杂比例。对制备好的LFTO薄膜进行了退火处理,探究不同温度下退火处理对LFTO薄膜光学和电学性能的影响。本文主要研究结果如下:与FTO薄膜相比,氟镧共掺杂后薄膜的晶体结构没有明显变化,(211)晶面的择优取向更加明显,减小了薄膜的晶格畸变并且位错密度也有所下降。EDS测试证明了薄膜中Sn、O、F和La元素的存在,通过XPS进一步分析了各元素的状态及成键方式。薄膜的透过率虽然稍有降低但是仍表现出良好的光学性能(平均透过率≥75%)。当镧的掺杂比例为2 at.%时,在可见光区(380-780 nm)的平均透过率为80.71%,电阻率为4.13×10-4Ω·cm。此时LFTO薄膜获得最高的品质因数:21.7×10-3Ω-1。并且薄膜的载流子浓度由3.04×1020 cm-3提升至8.14×1020 cm-3。霍尔迁移率相较掺杂前也有所提高,达到33.85 cm~2V-1S-1。LFTO薄膜经过退火处理后,择优取向由(211)转变为(200)。通过一系列的计算发现薄膜的晶粒尺寸增大,结晶度提高,薄膜的位错密度和微观应变均明显降低。薄膜的表面形貌没有明显的变化,不过降低了薄膜的表面粗糙度。薄膜的残余应力由张应力改变为压应力,且残余应力的绝对值也有所减小。退火后,薄膜的载流子浓度有所下降,不过大大提升了薄膜的霍尔迁移率。当退火温度为400℃时,膜层厚度有所减小,透过率也达到最高:84.36%。这时,薄膜有着最大的品质因数:32.3×10-3Ω-1,方块电阻降至最低:4.15Ω/□;电阻率降至最小为:3.06×10-4Ω·cm。载流子浓度和霍尔迁移率分别为7.66×1020cm-3和35.58 cm~2V-1S-1。
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