掺钛氧化锌透明导电薄膜和压敏电阻的制备及其物理性能研究

发布时间：2018-06-03 09:54

本文选题：掺钛氧化锌压敏陶瓷 + 掺钛氧化锌靶材　；参考：《广西大学》2017年博士论文

【摘要】：采用固相反应法制备了掺钛氧化锌压敏陶瓷和靶材。采用磁控溅射法制备了掺钛氧化锌(TZO)透明导电薄膜、n-TZO/p-Bi_2O_3和n-TZO/p-Bi_2O_3/n-TZO薄膜。采用正电子技术、XRD和SEM对材料的微结构进行了表征。测量了不同TiO_2含量的ZnO基压敏陶瓷的压敏电压、漏电流和非线性系数,讨论了 TiO_2含量对ZnO基压敏陶瓷电性能和微结构的影响。用霍尔效应分析仪和物理性能测量系统(PPMS)测试了 TZO透明导电薄膜的载流子浓度、霍尔系数和电阻率。用紫外-可见光分光光度计和PL谱仪测试了薄膜的透射光谱及发射光谱,计算了 TZO薄膜可见光的平均透过率和光学带隙,探讨了 TZO薄膜制备过程中靶材制备工艺、溅射工艺及退火工艺对TZO透明导电薄膜微结构和光学性能的影响。研究了n-TZO/p-Bi_2O_3及n-TZO/p-Bi_2O_3/n-TZO薄膜的微观结构以及电学性能。得到如下主要实验结果:(1)测试了不同TiO_2含量的ZnO基压敏陶瓷正电子寿命谱及电性能。当TiO_2含量低于1.8 mol%时,压敏陶瓷的正电子平均寿命随TiO_2掺杂量的增加而降低,TiO_2含量为1.8 mol%的压敏陶瓷中正电子平均寿命达到最小值。当TiO_2掺杂含量高于1.8mol%时,压敏陶瓷的平均寿命随TiO_2含量的增加而增加。且TiO_2含量为1.8mol%的压敏陶瓷样品具有较好的压敏性能:较低的压敏电压VB,较低的漏电流IL和较高的非线性系数α。(2)靶材中TiO_2含量、靶材烧结温度、保温时间对TZO透明导电薄膜的光电性能均有重要影响。不同靶材工艺制备的TZO薄膜均为C轴择优取向的多晶六角铅锌矿纳米薄膜。以TiO_2含量为2.0wt%,烧结温度为1300-1450℃,保温时间为6小时获得的掺钛氧化锌靶材所制备的TZO薄膜样品在可见光区的平均透过率较高,达到了 91%;且具有较高的载流子浓度和较大的载流子迁移率,电阻率低至8.47×10-4Ω·cm;所有TZO薄膜电阻率会随温度发生改变,当温度从10K上升到350K,薄膜电阻率先下降然后上升,150k附近出现电阻率的最小值,表明此温度下杂质激发产生的载流子浓度达到饱和。(3)溅射压强和溅射气氛对TZO薄膜光电性能影响显著。不同溅射工艺所获得的薄膜样品均为良好的C轴择优取向的六角纤锌矿结构多晶纳米薄膜。利用高纯氩气溅射时,当溅射压强为0.5Pa时,薄膜结晶度好、比较平整致密、缺陷浓度少、平均晶粒尺寸较大,薄膜光电性能较好,可见光区平均透过率超过91%,电阻率低至4.13 ×10-4Ω·cm。有氧溅射制备的薄膜样品在可见光区平均透过率较低(仅75%),光学带隙较小,电阻率较高。且不同溅射气氛制备的薄膜电阻率随温度变化的规律不同:当温度从10K升高到350K的过程中,无氧溅射的TZO薄膜电阻率随温度先降低然后升高;而有氧溅射的薄膜电阻率却随温度的升高而下降。(4)退火气氛对TZO薄膜光电性能有较大的影响。将TZO薄膜分别在氩气、氮气、真空气氛中400℃退火40分钟,薄膜结构仍为C轴择优取向的多晶六角铅锌矿纳米薄膜,结晶性能得到了改善,晶粒尺寸有所增加,薄膜表面更加平整致密;其可见光区透过率已达92%;电阻率达到了 3.32 X10-4Ω·cm,导电性能的提高主要由于薄膜在退火过程中缺陷回复,减弱了缺陷对载流子的散射,从而大幅提高了载流子的迁移率,而其载流子浓度变化不大。氩气中退火对光电性能改善的效果最佳。退火后的TZO薄膜的电阻率随温度变化规律仍然是随温度先降低后升高。(5)采用射频磁控溅射法,在Au膜(或ITO膜)上分别制备了的n-TZO薄膜、p-Bi_2O_3 薄膜、n-TZO/p-Bi_2O_3 薄膜、n-TZO/p-Bi_2O_3/n-TZO 复合薄膜。TZO薄膜为电导率较好的n型薄膜,是C轴择优取向多晶纳米薄膜;而Bi_2O_3膜为电导率较低的P型薄膜,具有明显的沿着(201)晶面取向生长的特点。n-TZO/p-Bi_2O_3电性能测试表明其具有pn结的伏安特性,其中ITO衬底上的双层膜漏电流较小,pn结的伏安特性更加明显。n-TZO/p-Bi_2O_3/n-TZO复合薄膜具有明显的压敏特性。比较n-TZO/p-Bi_2O_3(45min)/n-TZO和n-TZO/p-Bi_2O_3(30min)/n-TZO薄膜,前者的Bi2O层比后者的厚,前者的压敏电压和非线性系数比后者的大,前者的漏电流比后者的小。
[Abstract]:The microstructure and electrical properties of ZnO - based pressure - sensitive ceramics doped with Ti - doped zinc oxide ( TZO ) were studied by means of magnetron sputtering . The results were as follows : ( 1 ) The average life - span of ZnO - based varistor ceramics with different TiO _ 2 content was investigated . ( 3 ) The effect of sputtering pressure and sputtering atmosphere on the photoelectric properties of TZO thin films is remarkable . The films obtained by different sputtering processes have a good C - axis orientation . The n - TZO / p - Bi _ 2O _ 3 / n - TZO composite thin films were prepared by RF magnetron sputtering . The films of n - TZO / p - Bi _ 2O _ 3 and n - TZO / p - Bi _ 2O _ 3 / n - TZO composite films were fabricated on Au films ( or ITO films ) .
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2

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