In2O3基透明导电薄膜的制备与性质研究

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透明透明导电氧化物薄膜(TCO)是一种重要的光电材料,它具有高电导性并且在可见光区具有良好的光学透过率,在光电产业领域有着广泛的应用价值。其中氧化铟是一种应用领域最广的TCO材料,氧化铟掺钨(IWO)透明导电薄膜是近年来新发现的TCO薄膜。但是,之前对IWO薄膜的研究主要集中在制备工艺对薄膜性质的影响,缺乏对薄膜基础物理性质的系统研究。本文,我们采用磁控溅射系统在玻璃衬底上制备了一系列IWO薄膜,对它们的结构、化学组分、表面形貌、电输运以及光学性质进行了探讨,获得了一些有意义的结果,主要研究内容概括如下:1、采用磁控溅射方法制备了三组IWO薄膜。用四探针法测试方块电阻,分别分析三组实验数据,研究溅射时间和功率对薄膜电学特性的影响。用扫描电子显微镜(SEM)、电子衍射和X射线衍射(XRD)等对制备的-IWO-薄膜表面形貌、微观结构进行表征和分析。采用霍尔效应测试系统进行霍尔效应测试,作出电阻率,载流子浓度和迁移率趋势图。用JASCO V570分光光度计测试透过率,并研究了透过率曲线。分析时间和功率对透过率的影响。2、第一组采用100W溅射,通过改变时间制备不同的薄膜。发现随着时间的增加,薄膜的方块电阻减小,溅射50min方块电阻最小,为3.85Ω/□。从扫描电子显微镜(SEM)照片可以观察到溅射100W溅射50min形成的结晶最为完整。用电子衍射测得薄膜中主要组成元素为In,O,和W。用XRD图谱可以看出其特征谱线与In2O3一致。说明W是以替位的形式存在。晶粒尺寸随着时间增加先增大后减小。随着溅射时间的增加,电阻率迅速下降,载流子浓度呈增加趋势,迁移率增加。溅射30min透过率最佳,平均接近60%。随着时间增加,光学禁带宽度先增加后减小,溅射20min禁带宽度较大,为3.86eV。本组IWO薄膜的最小电阻率为4.22×10-4Ω·cm,相应的最大载流子浓度7.48×1020cm-3,最高迁移率37cm2V-1s-1。3、第二组保持30min溅射时间不变,寻找溅射功率的变化引起的薄膜光电性质改变趋势。随着功率的增大,方块电阻呈减小趋势,最小为3.55Ω/□。随着溅射功率的增加,电阻率迅速减小,载流子浓度迁和移率呈增加趋势,在溅射功率125W后有所下降。本组IWO薄膜的最小电阻率为为5.5×10-4Ω·cm,相应的最大载流子浓度8×1020cm-3,最高迁移率14cm2V-1s-1。4、第三组同时改变功率和时间,获得厚度基本相同的IWO薄膜。方块电阻迅速减小,之后呈缓慢减小趋势,最小为4.57Ω/□。从扫描电子显微镜(SEM)照片可以观察到150W溅射15min形成的结晶最为完整。用电子衍射测得薄膜中主要组成元素为In,O,和W。用XRD图谱可以看出其特征谱线与In2O3一致。说明W是以替位的形式存在。晶粒尺寸随着功率的增加先减小后增大。发现随着功率增加时间减少,电阻率先减小后增加然后减小,载流子浓度增加,迁移率先增加,后减小,之后增加。25W溅射60min和150W溅射10min,得到的透过率较高,平均值分别在80%和70%。光学禁带宽度先减小后增加,150W溅射15min所得样品光学禁带宽度为3.98eV。本组IWO薄膜的最小电阻率为4.2×10-4Ω·cm,相应的最大载流子浓度15.2×1020cm-3,最高迁移率37cm2V-1s-1。
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