新型透明导电ZnO∶Mo薄膜的制备

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)复旦大学材料科学系 作者:王三坡

        透明导电氧化物(TCO)薄膜由于具有高的可见光透射率和低的电阻率,在抗静电涂层、触摸显示屏、太阳能电池、平板显示、发热器、防结冰装置、光学涂层以及透明光电子等方面具有广阔的发展前景,其中的代表性TCO薄膜是In2O3∶Sn(ITO)、SnO2∶F和ZnO∶Al(ZAO)薄膜,都具有良好的光电性能。然而目前的透明导电薄膜的载流子浓度已经达到115 ×1021cm-3,接近上限2×1021cm-3,因此通过进一步提高载流子浓度来降低电阻率已经很困难,并且很高的载流子浓度会严重影响到透明导电薄膜的光学性能。高价态元素(如Mo、W等) 的掺杂提供了解决这一问题的一个新的途径,即通过提高载流子迁移率而非载流子浓度来提高透明导电薄膜的电导率。孟扬等首先采用反应蒸发法,在350 ℃玻璃基板温度下成功制备了高价态Mo掺杂的透明导电In2O3∶Mo(IMO) 薄膜: 其载流子迁移率达130cm2V-1 s -1 ,而载流子浓度仅315 ×1020 cm-3 ,电阻率为211 ×10-4Ω·cm, 并且在可见光范围内的透射率均超过80%, 由此引起了国内外的广泛关注 ;李喜峰等在In2O3 中掺杂高价态W 也取得性能良好的透明导电In2O3∶W(IWO) 薄膜,其电阻率低至217 ×10 -4 Ω·cm, 载流子的迁移率高于57cm 2V-1s -1 ,薄膜在可见光范围内的透射率也都超过80%。

        在In2O3基、SnO2基和ZnO基等透明导电薄膜中,制备技术成熟、性能稳定、在工业上广泛应用的是In2O3 基的ITO薄膜。但ITO薄膜价格昂贵,ZnO基透明导电薄膜的光电性能与In2O3基薄膜大致相当,而成本要低得多,因此近年来日益得到重视,具有很大的发展潜力。具体来说ZnO基薄膜比In2O3基薄膜具有以下优势:

      (1) Zn蕴藏丰富,价格比In,Sn 的价格低,任何制备In2O3 基薄膜的方法都可以用来制备ZnO基薄膜,因此ZnO基薄膜的制备成本要低于In2O3基薄膜。

      (2) In有毒,不但会污染环境,还会对人体健康造成危害,而Zn是人体生长所需的微量元素。

      (3) 在氢等离子体等特殊场合,ZnO 基薄膜的性能比In2O3 基薄膜稳定,适合于太阳能电池应用。

        ZnO基透明导电薄膜可以掺杂B、Al、Ga、In、Sc、Y等III 族元素,以及Si、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf等IV族元素,还可以掺F- 替代O2- ,其中ZnO∶Al 薄膜得到广泛和深入的研究,已在平板显示和太阳能薄膜电池上得到了应用。然而更高价态元素的掺杂还未见报道。本文采用第VIB 族的高价态元素Mo 掺入ZnO薄膜,Mo元素最高价是+6, 与Zn2+ 离子的价差可达四价,且在In2O3 基透明导电薄膜的研究中已取得了较好的效果。本实验采用可控性好、沉积速率高的反应直流磁控溅射法,在Zn 中镶嵌Mo制作溅射靶,在Ar 和O2 气氛中于普通玻璃上沉积ZnO∶Mo透明导电薄膜,并着重研究了Mo掺杂量和基片温度等参数对其结构和光电性能的影响。

        所使用的镀膜设备是北京仪器厂的DM4502A型镀膜机,自制的磁控溅射器,采用直流磁控反应溅射技术在玻璃基片上制备ZnO∶Mo(ZMO) 透明导电薄膜。靶是自制的金属Zn 和Mo的镶嵌靶,直径为60mm, 厚度为3mm, 与基板距离65mm 。沉积薄膜前,先将反应室抽到压强小于210 ×10 -2 Pa, 然后通过可变气导将一定比例的Ar 和O2 气充入反应室,工作压强为210Pa, 基板温度维持在100 ℃~350 ℃之间。

         用岛津UV2450 型UV/VIS 分光光度计测量薄膜的透光率,并根据最优化方法计算得到薄膜的厚度;用DB290 型四探针仪测量样品的方块电阻,计算得到薄膜的电阻率。在室温下van2der2Pauw法测量薄膜的霍耳迁移率,并得到薄膜的载流子迁移率和载流子浓度;用PhilipsPW1710X 射线衍射仪(Cukα 靶,30kV,20mA, 射线源波长为011542nm ) 分析薄膜的晶态结构。

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