摻鉭氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備、微結(jié)構(gòu)及光電特性研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物薄膜是一種重要的光電子信息材料,因其具有可見光區(qū)高透過率、紅外區(qū)高反射率和較低的電阻率,在薄膜太陽能電池、平板液晶顯示器、發(fā)光二極管和傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在這類材料中,氧化鋅(ZnO)是一種寬禁帶(3.3 eV)的n型半導(dǎo)體材料,具有原材料資源豐富、價(jià)格低廉,沉積溫度相對(duì)較低和在氫等離子體環(huán)境中穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),是一種最具希望替代ITO的材料。目前摻Al、Ga、In和B等元素的ZnO基透明導(dǎo)電薄膜己經(jīng)用各種技術(shù)制備

2、出來。盡管如此,尋找新型的透明導(dǎo)電氧化物薄膜仍然是非常有意義的。
　　本文首次采用射頻磁控濺射法在玻璃和硅襯底上室溫沉積了摻鉭的氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。利用X射線衍射儀(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜儀(XPS)、紫外-可見分光光度計(jì)(UV-Vis)和四探針測試儀等分析手段對(duì)薄膜進(jìn)行了表征和分析。詳細(xì)地研究了摻雜比例和退火溫度對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)、表面形貌、化學(xué)組分、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。通過研究得出以下主要結(jié)果:

3、　　XPS分析結(jié)果表明:Ta元素在薄膜中以Ta5+狀態(tài)存在的;O1s光電子能譜可以擬合為結(jié)合能分別是530.31 eV,530.97 eV和532.17 eV的三個(gè)峰,分別對(duì)應(yīng)于ZnO六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)中的O2-,ZnO結(jié)構(gòu)中氧缺乏區(qū)域中的O2-和薄膜表面吸附的氧;薄膜中O/Zn的值為84.73％,說明所制備的薄膜是缺氧的。XRD分析結(jié)果表明:不同摻雜比例下制備的ZnO:Ta薄膜為多晶薄膜,具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),呈c軸擇優(yōu)取向,沒有發(fā)現(xiàn)單質(zhì)T

4、a及其氧化物的特征峰,說明Ta元素以替位Zn原子的形式溶入ZnO晶格中形成了固溶體;當(dāng)摻雜比例從0 wt.％增加到10 wt.％,薄膜的(002)峰衍射角從34.18o減小到33.70o c,晶格常數(shù)從0.5242 nm增加到0.5314 nm,表明薄膜內(nèi)部存在平行于軸方向的張應(yīng)力;薄膜沿c軸的晶粒尺寸在9.4~13.5 nm之間,當(dāng)摻雜比例為5 wt.％時(shí)制備的薄膜具有最好的結(jié)晶性能。隨著退火溫度的升高,薄膜由未退火時(shí)沿(002)晶面

5、擇優(yōu)取向生長逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?00℃下退火溫度時(shí)的(103)晶面擇優(yōu)取向生長。AFM分析結(jié)果表明:當(dāng)摻雜比例為5 wt.％時(shí),薄膜有最大平均顆粒尺寸94.46 nm和最小表面粗糙度4.480 nm。隨著退火溫度的升高,薄膜表面粗糙度(RMS)先增加后減小;平均顆粒尺寸在94.46~118.05 nm之間。薄膜的電學(xué)特性測試分析結(jié)果表明:隨著摻雜比例的增加,薄膜的電阻率先顯著下降,當(dāng)摻雜比例為5 wt.％時(shí)薄膜有最小電阻率7.81×10-2?·

6、cm,電阻率的減小是由于載流子濃度的增加引起的,其主要來源于薄膜中的氧空位和摻雜離子替代晶格中Zn離子產(chǎn)生的,當(dāng)進(jìn)一步增加摻雜比例到10 wt.％,電阻率增大到1.25×10-1?·cm,這是因?yàn)槎嘤嗟腡a原子會(huì)傾向于聚集在晶格間隙處形成中性的缺陷,導(dǎo)致載流子濃度和遷移率的同時(shí)降低,電阻率呈現(xiàn)上升趨勢;隨著退火溫度的增加,薄膜的電阻率相應(yīng)的增加,由未退火時(shí)的6.81×10-2?·cm增加到500℃時(shí)的1.55?·cm,這是因?yàn)榇嬖谟诒砻?/p>

7、和晶界的吸附態(tài)氧的影響。薄膜的光學(xué)特性測試分析結(jié)果表明:不同摻雜比例下制備的ZnO:Ta薄膜在可見光區(qū)域(400～800 nm)的平均透過率均大于85％;光學(xué)帶隙隨摻雜比例先增加后減小,當(dāng)摻雜比例為5 wt.％時(shí)薄膜有最大光學(xué)帶隙為3.38 eV,光學(xué)帶隙隨摻雜比例的變化可以用Burstein-Moss效應(yīng)得以解釋;隨著退火溫度的增加,薄膜紫外基本吸收邊發(fā)生紅移;薄膜的光學(xué)帶隙隨著退火溫度的升高從未退火時(shí)的3.38 eV降到500℃退火