透明ITO/AZO薄膜热电偶的制备与研究

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与传统的薄膜热电偶相比,透明薄膜热电偶在测量温度变化时对构件的光学扰动极其微小。本论文制备一种基于铟锡氧化物(ITO)和锌铝氧化物(AZO)的透明薄膜热电偶,并对薄膜热电偶的透光性能和热电输出进行研究。本论文选用具有高透光率、高稳定性和低电阻率的ITO和AZO薄膜作为透明薄膜热电偶的电极材料。采用直流脉冲磁控溅射法制备ITO薄膜,研究发现:在直流脉冲磁控溅射制备ITO薄膜过程中,随着反转时间从0 μs增加到4 μs,ITO薄膜的晶体结构逐渐由无(100)择优向(100)择优转变,同时,ITO薄膜的禁带宽度从3.92 eV增加到4.15 eV;载流子浓度从2.93× 1020/cm3增加到4.25× 1020/cm3,载流子迁移率由31.58 cm2/Vs降至23.89 cm2/Vs。选用无感电阻搭建降压电路,结合数字示波器测量并记录了溅射时直流脉冲电源的输出波形。研究发现,反转时间从0 μs到4 μs变化时,电源前面板显示的功率值为一个周期内电源输出的平均功率值;而一个周期内电源的最高瞬时功率值随反转时间的增加逐渐增大,在反转时间为4 μs时,电源输出的最高瞬时功率值为前面板显示的平均功率值的2.09倍。由于电源最高瞬时功率的增加,ITO晶粒由等轴晶向柱状晶转变,导致ITO薄膜晶体结构逐渐由无择优向(100)择优转变,并导致ITO薄膜光电性能变好。在磁控溅射过程中,利用步进电机使基片做上下及旋转运动,使薄膜热电偶的电极厚度更加均匀。利用机械掩模在载玻片基底上制备透明ITO/AZO薄膜热电偶并进行静态标定。结果显示,ITO/AZO薄膜热电偶在可见光范围的透光率达87.84%以上;在0℃-170℃范围内,透明ITO/AZO薄膜热电偶电势温度曲线呈线性;Si02保护膜的存在抑制了升温过程中氧元素的扩散,故薄膜热电偶在标定时重复性好;由于ITO薄膜的(100)晶面择优取向使ITO晶体由等轴晶转变为柱状晶,ITO薄膜载流子浓度增高,薄膜热电偶的温差电动势和接触电动势增加,随着反转时间从0 μs增加到4μs,薄膜热电偶的塞贝克系数从6.2μV/K上升为40.8 μV/K。
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