磁控濺射ZnO-Al(H)薄膜中的缺陷對電學性能和光學性能的影響機制研究.pdf

1、透明導電氧化物(TCOs)薄膜是把光學透明性能（可見光）和電學高導電性能復合在一體的光電材料。在電學性能方面，透明導電薄膜具有高的載流子濃度（一般在1020cm-3量級）;在光學性能方面，它會反射紅外光，吸收紫外光，又使可見光穿透。因此，透明導電薄膜在太陽能電池、液晶顯示器、氣體傳感器、飛機和汽車用導熱窗玻璃等領域得到了廣泛的應用。
　　ZnO∶Al(AZO)透明導電薄膜因具有原材料豐富、價格低廉、耐氫刻蝕等優(yōu)點而引起了廣泛的關注

2、，被認為是替代商業(yè)化In2O3∶Sn(ITO)薄膜的最佳選擇。AZO薄膜已經(jīng)作為部分工業(yè)化生產(chǎn)薄膜太陽能電池的透明電極，然而與ITO薄膜相比，AZO薄膜仍然存在薄膜電阻率相對較高，空氣中穩(wěn)定性較差等缺點，并不能達到其他應用領域?qū)ν该鲗щ姳∧さ男阅芤?。此外，影響AZO薄膜物理性能和微結(jié)構(gòu)的主要缺陷仍然是具有較大爭議的?；谏鲜鋈匀淮嬖诘膯栴}，本文從以下幾個方面開展工作:
　　論文第一章簡要闡述了ZnO基材料的基本性質(zhì);介紹了ZnO

3、材料的本征缺陷和n型摻雜缺陷;總結(jié)了H在ZnO中可能的存在形式以及對薄膜載流子濃度的影響。另外，介紹了幾種常見的透明導電薄膜;總結(jié)了AZO透明導電薄膜的制備方法;研究現(xiàn)狀以及潛在的應用前景。最后簡要概括了本文的主要研究內(nèi)容。
　　論文第二章主要介紹了制備AZO透明導電薄膜的磁控濺射設備和退火實驗的測試過程。此外，簡單概述了表征AZO薄膜微結(jié)構(gòu)和物理性能的幾種測試方法和儀器，如X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射

4、電子顯微鏡(TEM)、拉曼光譜(Raman)等。
　　論文第三章的主要工作是圍繞如何降低磁控濺射中高能氧負離子的轟擊對AZO薄膜的破壞作用開展的。結(jié)果表明增加氬氣流速或者靶基距是降低高能氧負離子轟擊的有效方法，AZO薄膜的最低電阻率為2.68×10-3Ωcm。此外，通過測試靶材前方不同位置AZO薄膜的微結(jié)構(gòu)和物理性能隨靶基距的變化，證明高能氧負離子的轟擊是控制刻蝕區(qū)域薄膜電學和光學性能的主要因素，而濺射過程中其他粒子的能量則決定了

5、非刻蝕區(qū)域薄膜的電學和光學性能。當靶基距為62mm時，兩塊靶材中心位置薄膜的電阻率最低為5.8×10-4Ωcm。
　　論文第四章的主要內(nèi)容是磁控濺射制備H共摻雜AZO透明導電薄膜的工藝研究。研究發(fā)現(xiàn)H自由基共摻雜AZO薄膜時，在AZO薄膜中以淺施主氫填隙的形式存在，從而使薄膜電阻率降低。H自由基還可以占據(jù)AZO薄膜中的氧空位，導致薄膜在可見光波段(400-500nm)的透射率顯著提高。AZO薄膜的最低電阻率為1.54×10-3Ωc

6、m，可見光平均透射率大于85％。
　　論文第五章主要討論了AZO薄膜中的缺陷對薄膜微結(jié)構(gòu)、電學性能和光學性能的影響以及隨退火工藝的變化。晶界吸附物對AZO薄膜的主要影響是提高薄膜電阻率和降低禁帶寬度，增加可見光發(fā)光以及使耗盡層中產(chǎn)生單電子的氧空位缺陷;氫氣氣氛下，薄膜電阻率隨溫度的變化結(jié)果表明AZO薄膜在RT-350℃范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為類金屬性質(zhì)的行為，即薄膜電阻率隨溫度的升高而升高。圓鼓上的AZO薄膜除了表現(xiàn)類金屬性質(zhì)的行為外，電