ZnO基透明导电氧化物薄膜的制备及性能分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 裴志亮 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-01-10 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 闻立时 |
| 关键词 | 直流反应磁控溅射 透明导电氧化物 薄膜 ZnO 结构表征 电学 光学性能 Burstein-Moss效应 散射机制 能带结构 光学常数 柔性基片 电致发光 有机发光二极管 |
| 其他题名 | THE PREPARATION AND PROPERTY ANALYSIS OF TRANSPARENT CONDUCTING OXIDE FILMS (TCOs) BASED ON ZINC OXIDE |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | 透明导电氧化物（TCOs）薄膜的基本特性包括：具有较大的禁带宽度（>3eV），可见光区高度透过率（>80％），高度的红外反射率（>60％）以及较强的微波衰减。目前，TCO薄膜主要包括SnO2、 In2O3、 ZnO及其掺杂物，它们被广泛应用于光电领域，如太阳能电池的透明电极、平板显示器装置、气体传感器、光波导及红外反射窗口等。尽管In2O3：Sn(ITO)薄膜是目前应用最为广泛的薄膜，但其较高的使用成本、有毒及其在还原性气氛下稳定性较差等缺陷却限制了其进一步的应用。相比之下，ZnO: Al(ZAO)薄膜不仅具有同ITO薄膜可比拟的光电特性，而且具有成本低、无毒及稳定性更高的优势，因此被认为是ITO薄膜的强有力的替代者，具有广泛的应用前景。 本论文侧重于ZnO基透明导电半导体氧化物薄膜的制备、表征、性能及其应用的研究。采用直流反应磁控溅射技术溅射合金靶材Zn/Al和Zn/(Al, Mn)，详细研究了各种工艺沉积参数：氧分压、沉积温度、工作气压等对ZnO:Al 和ZnO:(Al, Mn)薄膜光电性能的影响；利用XRD、SEM、TEM、XPS等分析手段对薄膜的组织结构及表面形貌进行了表征分析；并讨论了薄膜的光学特性及散射机制。 ZnO: Al 和 ZnO:(Al, Mn)薄膜均呈现（002）择优取向，织构的形成可归结于（002）密排面在平衡态时具有最低的表面自由能。具有c轴织构取向的初始晶粒在非晶的玻璃衬底表面形核，贯穿薄膜厚度范围内的柱状晶沿着垂直于衬底方向生长。薄膜内部呈现平行于薄膜表面的压应力，它是薄膜沉积过程中所诱发的微观缺陷所致。对ZAO薄膜的光电子能谱（XPS）分析表明，Zn、O、Al元素在膜内分布均匀，且无Al单质存在，在晶界处没有大量的Al原子聚集，并且ZAO薄膜在普通玻璃上的界面扩散层要明显低于ITO，这无疑为在有机发光器件中用ZAO取代ITO提供了实验数据。 薄膜的光电性能相互关联。载流子浓度的增加将导致薄膜吸收的增大，因此提高载流子迁移率而不是载流子浓度将是降低薄膜电阻率的最佳办法。在氧分压2.6×10-2 Pa、衬底温度为150 ℃时，薄膜呈现较为明显的柱状生长，具有较高的载流子浓度（6 ）、载流子迁移率（24 ）及最低的电阻率（～4.6×10－4 ）, 并且表现良好的热稳定性。 ZAO薄膜的载流子浓度超过1020cm-3数量级而呈现高度简并态，具有直接跃迁型的能带结构。实验中发现，随着载流子浓度的增加而出现能带宽化的现象。根据BM效应，禁带宽度正比于 ，表明带隙宽化是最主要的过程，能带窄化效应并不明显。ZAO薄膜的色散关系与能级跃迁密切相关，在吸收边附近趋势变化明显。折射率和消光系数均随着波长的增加而逐渐减小，之后变化趋于平缓。ZAO薄膜的PL谱表明，在紫外区存在较强的UV发射峰。 通过施加适当的偏压及引入Al2O3过渡层等工艺措施，有效地降低了薄膜的方块电阻而又不损失其光学性能（～80 %），在柔性基片上成功地制备了低电阻率的ZAO薄膜（8.4×10-4 ）。通过铝的掺杂效率和电子平均自由程的计算表明：对于TCO薄膜的载流子输运机制，离化杂质散射为最主要的散射机制。 以ZnO: Al(ZAO)薄膜为底阳极，制备出具有ZAO/NPB/Alq3/ Al结构的有机发光二极管。I-V曲线表明其驱动阀值电压约为8 V；而在驱动电压为20V时，可获得5000 cd/m2最大的发光亮度值；当电流密度为100A/m2时，发光效率约为3.0 cd/A。测试结果显示：ZAO薄膜是替代ITO薄膜的潜在阳极材料。 综上所述，ZAO薄膜所表现出的可与ITO薄膜相比拟的优异的光电性能及在等离子体中更加稳定、丰富的地球储量、无毒等优良特性，使得ZAO薄膜在某些应用领域已成为ITO薄膜最佳的替代材料。因此，加大力度对ZAO薄膜的进一步研究，促使这种廉价质优的透明导电膜尽快走向实用化具有重要的现实意义。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 141 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16963]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 裴志亮. ZnO基透明导电氧化物薄膜的制备及性能分析[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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