AZO透明導(dǎo)電氧化物靶材及其薄膜制備的研究.pdf

1、近年來(lái),隨著液晶顯示、觸控面板、有機(jī)發(fā)光顯示、太陽(yáng)能電池等的發(fā)展，使得透明導(dǎo)電薄膜成為關(guān)鍵性材料之一。目前，常用的錫摻雜氧化銦(ITO)透明導(dǎo)電薄膜材料中的金屬銦屬于稀缺資源，開發(fā)具有透光、導(dǎo)電特性的“非銦”材料已成為研究的熱點(diǎn)之一。由于氧化鋅基(ZnO)透明導(dǎo)電薄膜價(jià)格較為低廉，且不具毒性，在發(fā)展上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)異性。因此，對(duì)于氧化鋅薄膜材料及其制備技術(shù)的研發(fā)，引起了大家的廣泛重視。為此，本論文從事了如下方面的研究：采用膠態(tài)成型加常壓燒

2、結(jié)的低成本路線開發(fā)研制超高密度的ZnO基陶瓷靶材；并采用所研制的超高密度的ZnO基陶瓷靶材進(jìn)行了磁控濺射鍍膜的研究；研究了不同工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響；嘗試研究制備了雙層透明導(dǎo)電薄膜。主要結(jié)論如下：
　　 通過(guò)Zeta電位、粘度、沉降等測(cè)試，研究了添加劑含量、Ph值、固含量和球磨時(shí)間對(duì)ZnO-Al2O3混合粉體水基懸浮液的穩(wěn)定性、流動(dòng)性等的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加聚丙烯酸（PAA）后，ZnO和Al2O3在Ph8～10.3的堿性范

3、圍有較高Zeta電位，Zeta電位均低于-45mV。與單獨(dú)添加PAA相比，同時(shí)添加聚乙二醇（PEG），ZnO和Al2O3的Zeta電位沒有明顯改變。0.2wt%的PAA為飽和吸附量。PAA為飽和吸附量時(shí)，懸浮液在Ph8～10.3范圍內(nèi)粘度較低、穩(wěn)定性較好。當(dāng)Ph值為9左右，PAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%時(shí)，懸浮液粘度最低、穩(wěn)定性最好?？芍频霉滔囿w積分?jǐn)?shù)55%的懸浮液。聚乙二醇添加量的增加，使懸浮液粘度增加、穩(wěn)定性下降。懸浮體的粘度隨固含量的

4、增加呈指數(shù)關(guān)系增大。球磨時(shí)間以40h為佳。XRD分析顯示a-Al2O3顆粒均勻而穩(wěn)定的分布在ZnO顆粒之間。
　　 通過(guò)優(yōu)化ZnO-Al2O3水基懸浮液的工藝參數(shù)，注漿成型制備致密的生坯，最終燒結(jié)制得超高密度的ZnO-Al2O3復(fù)合陶瓷。研究了添加劑含量對(duì)生坯和燒結(jié)體的密度和強(qiáng)度的影響。用0.2 wt%的聚合物電解質(zhì)PAA和0.2 wt%的粘結(jié)劑PEG分散，在Ph9、固含量30vol%的條件下制備ZnO-Al2O3混合粉體水基懸

5、浮液，注漿成型制得相對(duì)密度大于66.6%的均勻而致密的生坯，ZnO-Al2O3混合物生坯中顆粒均勻而致密。由于0.2wt%的PAA為ZnO-Al2O3混合粉體的飽和吸附量從而形成了分散性好的料漿。另一方面，添加0.2wt% PEG的生坯徑向壓潰強(qiáng)度增加到12.5MPa，有利于后續(xù)過(guò)程。在Ph9、PAA和PEG的添加量均為0.2%的工藝條件下制得的生坯經(jīng)1 400℃保溫2h無(wú)壓燒結(jié)獲得幾乎全致密的燒結(jié)體（相對(duì)密度大于99.7%）。添加0.

6、3%的PAA（PAA輕微過(guò)剩），促進(jìn)了燒結(jié)體的強(qiáng)度和密度的提高。燒結(jié)過(guò)程中a-Al2O3與ZnO的反應(yīng)生成物為ZnAl2O4的尖晶石相。顯微分析顯示其顯微結(jié)構(gòu)均勻，沒有異常晶粒長(zhǎng)大和其它缺陷，鋁元素均勻分布。在薄膜的制備中，基底溫度的提高對(duì)于AZO 薄膜導(dǎo)電性和透過(guò)率的提高有明顯的促進(jìn)作用。適當(dāng)提高基底溫度，增加了吸附原子的遷移能，對(duì)于薄膜結(jié)晶質(zhì)量、擇優(yōu)取向和摻雜有利。但玻璃基底溫度不宜超過(guò)450℃?；诇囟冗_(dá)到400℃時(shí)，薄膜的電阻率

7、達(dá)到10-4量級(jí)，透過(guò)率到達(dá)90%以上。AZO 薄膜的光學(xué)帶寬均大于未摻雜ZnO 薄膜的帶寬（3.2eV）是由Burstein-Moss 效應(yīng)引起的。隨著薄膜厚度的增加，晶粒尺寸增大、晶粒取向性變好、結(jié)晶質(zhì)量變好，有利于電阻率的降低。可見光透過(guò)率隨厚度增加逐漸下降，符合Lambert 定律。當(dāng)薄膜厚度較薄時(shí)，隨著薄膜厚度的增加光學(xué)帶寬減小是由量子尺寸效應(yīng)引起的。薄膜的電阻率隨靶基距的增加而增大。靶基距對(duì)薄膜透過(guò)率的影響不是十分明顯，透過(guò)

8、率的改變主要是由薄膜的厚度效應(yīng)引起的。
　　 AZO 薄膜電阻率隨濺射功率的增加在400W 范圍內(nèi)呈單調(diào)下降趨勢(shì)。濺射功率的提高有利于結(jié)晶質(zhì)量的提高和Al的摻雜。隨濺射功率的增大，濺射效率得到提高，薄膜厚度增加。透過(guò)率隨濺射功率的增大而下降是由于薄膜厚度效應(yīng)引起的。試驗(yàn)中未出現(xiàn)180W 處電阻率最小的拐點(diǎn)，與本文采用了超高密度的濺射靶材有關(guān)。工作氣壓為0.1～1.0 Pa的范圍內(nèi)，在不同的濺射功率下薄膜的電阻率最低值出現(xiàn)在一個(gè)適

9、當(dāng)?shù)墓ぷ鳉鈮合?，是由濺射原子的平均自由程和等離子氣的平均原子間距之間相互協(xié)調(diào)決定的。工作氣壓對(duì)薄膜的透過(guò)率和光學(xué)帶寬的影響不是十分顯著。在200℃和400℃玻璃基底上鍍膜，最低電阻率分別可達(dá)5.3×10-4O.cm和1.09×10-4O.cm。
　　 較高的氧分壓條件下薄膜的電阻率呈數(shù)量級(jí)增大，與氧空位數(shù)量減少有關(guān)。氧分壓有助于薄膜的可見光透過(guò)率的提高，與有氧分壓的條件下薄膜結(jié)晶質(zhì)量提高、缺陷含量減少有關(guān)。但較低的氧分壓（0.1

10、%O2）不利于AZO 薄膜的（002）擇優(yōu)取向。不同氧分壓下光學(xué)帶寬的變化可能與薄膜中的應(yīng)力變化有關(guān)。
　　 加鍍ZnO 緩沖層有利于AZO 薄膜結(jié)晶質(zhì)量的提高、（002）峰的擇優(yōu)取向和殘余應(yīng)力的松弛。ZnO 緩沖層對(duì)AZO 薄膜的透過(guò)率影響不大，可見光平均透過(guò)率在90%左右?；诇囟葹?50℃，分別在40mm 或60mm 靶基距濺射AZO 薄膜，可以制備出具有較低電阻率（10-4）和較高可見光反射率（51%）或較高電阻率（10