论文部分内容阅读
透明导电氧化物薄膜(TCO)是一类具有较低的电阻率和可见光范围内较高的透光率的电子功能材料,广泛应用于平板显示、半导体及有机发光器件和太阳能开发等领域。目前应用最为广泛的是铟锡氧化物(ITO)薄膜,其卓越的光电性能使其备受企业及科研机构的青睐。但是自然界铟元素的储量极为有限且毒性较强,较高制备成本迫使人们开发能够替代ITO的新型透明导电材料[1]。近十年来,宽禁带半导体材料由于其自身良好的光学透过性和可以通过掺杂等工艺来提高电学性能的优良品质,逐渐成为光电领域的研究热点。直接宽帯隙半导体ZnO材料是目前研究较为广泛的透明半导体材料,通过掺入Al元素和Ga元素等,在电学特性上已接近ITO材料,但是目前工业制备ZnO:Al材料和ZnO:Ga材料以溅射技术为主,使得材料的晶体质量和热稳定性较差,严重影响了材料的大范围应用。论文重点研究ZnO基透明导电薄膜的制备,以ZnO/Ag/ZnO、ZnO/Au/ZnO多层膜为研究对象,在不引进掺杂源的前提下,通过引入金属夹层来提高薄膜的电学性能,采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)外延晶体质量较好的ZnO薄膜,利用射频磁控溅射生长金属夹层,并利用光照退火对金属层进行热处理,通过原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、霍尔效应测试和透射谱分析等测试手段对多层膜的结构、电学及光学性质进行了分析。研究分为三个阶段:一、高质量ZnO薄膜的制备及优化实验利用MOCVD薄膜外延技术,在玻璃及蓝宝石衬底上制备ZnO外延薄膜,研究了不同厚度ZnO薄膜的结构和光电性质。二、金属薄膜的制备及优化实验利用射频磁控溅射技术制备金属薄膜,通过控制生长参数来控制膜厚,并利用光照退火炉进行热处理,研究了不同厚度及退火温度对金属Ag膜和Au膜结构和光学性质的影响。三、ZnO-mental-ZnO多层膜的制备与表征综合前两步的研究成果,利用优化的生长参数,制备ZnO-mental-ZnO多层结构薄膜,采用X射线衍射仪、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见分光光谱仪、霍尔测试仪等测试手段对ZnO/metal/ZnO薄膜的晶体结构、光学性质、电学性质等进行了分析,研究金属层的厚度及退火温度对多层膜的光电及结构性质的影响。实验结果表明,金属层厚度在15nm以下能取得良好的导电性和透光性,金属层厚度超过15nm时,薄膜的可见光区透过率随着薄膜厚度的增加急剧下降,而当金属层厚度过薄时,多层膜的导电性受到极大影响。同时对金属层进行适当的热处理(200℃退火)能够提升薄膜的光电及结构性质。