金屬?gòu)?fù)合雙層-多層透明導(dǎo)電薄膜的制備及其光電性能研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜作為半導(dǎo)體材料中的一種特殊形態(tài)，在諸如太陽(yáng)能電池、液晶顯示器、觸控面板、氣敏傳感器、發(fā)光二極管等當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種常見(jiàn)的TCO薄膜，摻氟二氧化錫(FTO)薄膜具有可見(jiàn)光區(qū)透光率高、導(dǎo)電性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、室溫下抗酸堿性強(qiáng)、激光刻蝕容易、可大面積制備且成本相對(duì)較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為摻錫氧化銦(ITO)薄膜的替代用品而被廣泛開(kāi)發(fā)利用。然而，傳統(tǒng)制膜工藝制備的單層FTO薄膜，其光電

2、性能仍不能滿(mǎn)足迅速發(fā)展的光電器件的應(yīng)用需求。基于此，本文以FTO透明導(dǎo)電薄膜為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了基于金屬層復(fù)合的雙層/多層透明導(dǎo)電薄膜的優(yōu)化制備，著重研究了爐內(nèi)退火、爐內(nèi)/激光雙重退火、磁場(chǎng)輔助激光退火、激光織構(gòu)化處理、爐內(nèi)逐層退火等方法對(duì)薄膜表面形貌、結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，并獲得了一些有意義的結(jié)果。
　　1、采用爐內(nèi)退火方法對(duì)Ag/FTO薄膜進(jìn)行處理，考察了Ag層厚度、退火時(shí)間和氮?dú)饬髁繉?duì)薄膜表面形貌、結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，探討了Ag

3、層轉(zhuǎn)變?yōu)锳g納米粒子(AgNPs)的最佳條件和AgNPs大小、形貌對(duì)薄膜光電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Ag層厚度為5nm、退火溫度為450℃、氮?dú)饬髁繛?0 sccm、退火時(shí)間為20 min時(shí)，Ag/FTO薄膜表面形成了大小均勻、外形圓整、尺寸約為70 nm、密集分布的AgNPs，此時(shí)得到的AgNPs/FTO薄膜的綜合光電性能最佳，品質(zhì)因子為1.39×10-2Ω-1，高于原始FTO薄膜。
　　2、采用爐內(nèi)/激光雙重退火方法對(duì)Ag/

4、FTO薄膜進(jìn)行處理，研究了激光能量密度和掃描速度對(duì)薄膜表面形貌、結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，并與單純的爐內(nèi)退火和單純的激光退火進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，爐內(nèi)退火可使Ag層先轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^小的AgNPs，而隨后的激光退火又使得AgNPs發(fā)生重熔并與底層SnO2顆粒形成連續(xù)重聚層，因此薄膜的光電性能尤其是導(dǎo)電性得到了進(jìn)一步提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)激光能量密度和掃描速度分別為0.9 J/cm2和10 mm/s時(shí)，爐內(nèi)/激光雙重退火處理獲得的Ag/FTO薄膜

5、具有最佳綜合光電性能，品質(zhì)因子為1.71×10-2Ω-1。
　　3、采用磁場(chǎng)輔助激光退火方法對(duì)Ni/FTO薄膜進(jìn)行處理，研究了激光能量密度、磁場(chǎng)的存在以及磁場(chǎng)方向?qū)Ρ∧け砻嫘蚊病⒔Y(jié)構(gòu)和光電性能的影響。結(jié)果表明，磁場(chǎng)輔助激光退火時(shí)的最佳激光能量密度為0.9 J/cm2。與激光退火相比，磁場(chǎng)輔助激光退火后薄膜中晶粒的尺寸更大，因此薄膜透光率的提高更為顯著。采用垂直磁場(chǎng)輔助激光退火后，薄膜表面形成由稀疏分布和聚集顆粒組成的不連續(xù)Ni層，

6、使得薄膜的導(dǎo)電性低于激光退火;而采用橫向磁場(chǎng)輔助激光退火后，薄膜表面的Ni層變得連續(xù)且致密，此時(shí)薄膜的綜合光電性能最佳，品質(zhì)因子達(dá)到2.27×10-2Ω-1。
　　4、采用激光誘導(dǎo)織構(gòu)化方法對(duì)不同的金屬/FTO(M/FTO)薄膜進(jìn)行處理，探討了激光能量密度對(duì)薄膜表面絨面結(jié)構(gòu)形成和光電性能的影響，對(duì)比研究了激光誘導(dǎo)織構(gòu)化對(duì)金屬層材料的選擇性以及爐內(nèi)預(yù)退火輔助激光織構(gòu)化處理實(shí)現(xiàn)薄膜光電性能優(yōu)化的可行性。結(jié)果表明，激光輻照可在Pt/FT

7、O、Ag/FTO和Cu/FTO薄膜表面同時(shí)實(shí)現(xiàn)光柵結(jié)構(gòu)制備和激光退火，而Al/FTO薄膜表面只受到激光退火作用，未能形成激光誘導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)。Pt/FTO薄膜表面激光誘導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)形成的最佳條件為離焦量2.5 mm、激光能量密度1.05 J/cm2，此時(shí)薄膜的透光性和導(dǎo)電性均得到最大程度的優(yōu)化。爐內(nèi)退火與激光誘導(dǎo)織構(gòu)化相結(jié)合可更大程度改善M/FTO薄膜的導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，激光誘導(dǎo)光柵織構(gòu)化的預(yù)退火Ag/FTO薄膜具有最佳綜合光電性能，品質(zhì)

8、因子達(dá)到2.16×10-2Ω-1。
　　5、采用爐內(nèi)逐層退火方法對(duì)不同的AZO/M/FTO薄膜進(jìn)行處理，并與一步退火方法進(jìn)行了對(duì)比，研究了退火溫度和AZO層厚度對(duì)薄膜表面形貌、結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。結(jié)果表明，逐層退火比一步退火更有利于薄膜透光率和導(dǎo)電性的提高。在400℃下逐層退火得到的AZO/Pt/FTO薄膜可獲得3.64×10-2Ω-1的最佳品質(zhì)因子。當(dāng)AZO層厚度為500 nm時(shí)，逐層退火后得到的AZO/AgNPs/FTO薄膜