基于柔性衬底的ZnO基薄膜光电性能及其稳定性研究

发布时间：2020-08-23 21:11

【摘要】：柔性氧化锌(ZnO)薄膜作为新型透明导电氧化物(TCO)薄膜,具有重量轻便、体积小巧、可折叠弯曲、应用范围广等多种优势,符合当前科技领域对于元器件轻薄性、便携性的发展需求,并已逐渐替代硬质衬底薄膜,被越来越广泛的运用在可穿戴式设备、柔性显示屏、光伏电池等众多领域。但由于柔性衬底的制约,其综合光电性能及其稳定性往往不及传统硬质衬底薄膜,因此如何提升综合光电性能并保证性能稳定性成为当前对柔性ZnO基薄膜研究的主要方向。经过文献调研发现目前有关柔性ZnO基薄膜的介质/金属/介质(D/M/D)三明治结构的研究较多,但中间导电金属层多以价格昂贵、资源稀缺的贵金属为原料,而少见采用成本较低、原料广泛的普通导电金属的D/M/D结构薄膜研究,且有关提升柔性ZnO基薄膜性能稳定性的研究也鲜有报道。针对上述两个问题,本文立足于柔性ZnO基多层膜,重点研究D/M/D结构薄膜中间金属的厚度比与沉积顺序对于柔性ZnO基多层膜综合光电性能的影响;并引入BN薄膜,进一步研究BN层对于柔性ZnO基多层膜光电性能稳定性的影响,取得了一些有意义的研究结果。1、采用磁控溅射法在柔性PET衬底上沉积了ZnO层和中间金属Al与Cu层,制备了柔性ZnO/Al/Cu/ZnO多层膜。选择不同厚度比的Al层和Cu层,重点研究Al与Cu层的厚度比对柔性ZnO基多层膜综合光电性能影响。此外,在Al与Cu层的最优厚度比的基础上进一步改变Al和Cu层的沉积顺序,考察了中间金属层的沉积顺序对柔性ZnO基多层膜综合光电性能的影响。分别使用扫描电子显微镜(SEM)、EDS能谱仪对多层膜表面形貌和相组成进行分析,并使用紫外-可见分光光度计和四探针测试仪测量多层膜的透光率和方块电阻,最终利用品质因子(F_(TC))公式对柔性ZnO基多层膜的综合光电性能进行计算。实验与表征结果证明,中间金属层的厚度比对柔性ZnO/Al/Cu/ZnO薄膜的综合光电性能有显著影响,而沉积顺序对其光电性能影响不大。具体来说,当Al:Cu=6:2(即Al层厚度为6 nm,Cu层厚度为2 nm)时,柔性ZnO/Al/Cu/ZnO薄膜的综合光电性能达到最优,此时多层膜在400~800 nm范围内的平均透光率为84.73%,方块电阻为108Ω/sq,品质因子为1.77×10~(-3)Ω~(-1);在最佳Al与Cu厚度比下改变其沉积顺序后,薄膜的综合光电性能变化不大。2、基于以上结果,在最佳Al与Cu厚度比和沉积顺序下引入BN薄膜,采用相同制备方法制备出柔性BN/Al/Cu/ZnO多层膜,重点研究顶层BN层厚度对柔性ZnO基多层膜综合光电性能的影响。实验结果显示,当顶层BN厚度为100 nm时,柔性BN/Al/Cu/ZnO多层膜的综合光电性能最优,品质因子达到最大值8.15×10~(-4)Ω~(-1)。随后基于BN最佳厚度,制备柔性BN/Al/Cu/ZnO多层膜与柔性Al/Cu/ZnO多层膜,对比研究顶层BN对于柔性ZnO基多层膜光电性能稳定性的影响。实验结果证明,BN层的引入可明显提升柔性ZnO基多层膜的光电性能稳定性。在不同温度环境下,BN层优良的耐热性可降低温度过高对柔性ZnO基多层膜光电性能稳定性的影响,在80℃下烘烤18 h后,柔性BN/Al/Cu/ZnO多层膜的品质因子达到9.61×10~(-4)Ω~(-1),而此时柔性Al/Cu/ZnO多层膜的品质因子下降明显,仅为1.69×10~(-4)Ω~(-1);在常温环境下静置不同时间,顶层BN作为保护层可使柔性ZnO基多层膜中导电金属与空气隔绝,且BN优异的抗氧化性又能确保柔性ZnO基多层膜在长时间静置过程中不发生氧化还原反应,从而不影响其光电性能的稳定性,在常温下静置24 h后,柔性BN/Al/Cu/ZnO多层膜品质因子为1.26×10~(-3)Ω~(-1),而此时柔性Al/Cu/ZnO多层膜品质因子为6.70×10~(-4)Ω~(-1)。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O484
【图文】：

的时间要早于 p 型，而且由于 p 型 TCO 性能用寿命要求，就当前来看，大多数投入实际运用较为成熟且实际应用最为广泛的 n-TCO 薄膜主2基薄膜和 ZnO 基薄膜[23-28]，以此为基体的掺杂次介绍三类 n-TCO 薄膜。导电氧化物薄膜O3基透明导电氧化物薄膜早在上世纪 50 年代前应用最广泛的 TCO 薄膜之一[29]。过去人们认为eV 左右，但根据最新的科研结果已将其光学禁带结构为方铁锰(Bixbyite)型结构，晶胞参数为 a=离子呈现类八面体状，如图 1.1 为 In2O3的结构

氧化物薄膜金红石型[31]，如图 1.2 所示。在一个 O 原子按 1:3 比例与 Sn 原子配位。方式主要依靠晶体内的 O 空穴。科研 级别。为了进一步提高 SnO2基 TCO法制成更高品质的薄膜。目前常见的成熟、应用范围最广的方案是将 SnOnO2金红石结构晶体后，与 O 空穴结阻率相较原始 SnO2可下降一个数量能，而且 FTO 薄膜的制备方法简单备出的 FTO 薄膜相较于 ITO 来说化在很多领域都有替代 ITO 的作用[33

江 苏 大 学 专 业 硕 士 学 位 论 文不会改变 ZnO 的晶体结构且可通过调节 Al 的掺杂含量来控制 AZO从而提升性能，目前经过研究 AZO 的电阻率可降至 10-5Ω·cm。而金属，没有毒性，原料丰富易获取，这进一步提升了 AZO 的性价CO 薄膜作为当前的研究焦点，有望代替 ITO 薄膜。

【参考文献】

相关博士学位论文 前2条

1 黄立静;金属复合双层/多层透明导电薄膜的制备及其光电性能研究[D];江苏大学;2015年

2 李保家;FTO透明导电薄膜表面处理及其复合膜的研究[D];江苏大学;2012年

相关硕士学位论文 前2条

1 马德福;射频磁控溅射法制备ZnO:W-TCO薄膜及其性能研究[D];景德镇陶瓷学院;2014年

2 张剑楠;新型透明导电薄膜的研制及其在有机太阳能电池中的应用[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2012年

本文编号：2802028