【摘要】：氟掺杂氧化锡(Fluorine doped tin oxide,简称FTO)透明导电薄膜是一种宽禁带半导体材料,因其原料充足、成本低、易刻蚀、光学性能适宜、电学性能优异、化学稳定性好,被广泛应用于薄膜太阳能电池、气敏传感器、平板显示器和低辐射膜等诸多领域,特别在建筑玻璃的深加工领域具有广阔的发展前景,已经成为目前节能环保材料研究领域的热点。但在研究与应用方面仍存在一些关键的技术问题,如FTO薄膜表面不均匀、易产生龟裂以及掺杂机制不明等问题。本课题以研究FTO薄膜简单易行的制备工艺为宗旨,开展了镀膜制备工艺的优化、掺杂剂浓度对FTO薄膜性能的影响、氟源种类对FTO薄膜性能的影响及其掺杂机制等方面的研究,获得了一些有意义的成果。采用改进的溶胶-凝胶法制备高性能FTO导电膜,主要研究了最佳的制膜工艺,在传统的薄膜的煅烧过程中采用简单易行的蒸镀法一举两得的制备出FTO薄膜。研究了不同F/Sn原子比对FTO薄膜的结构、形貌以及光电性能的影响。此外,考察了氟源种类对FTO薄膜性能的影响,探讨了不同氟源的掺杂机制。利用XRD、SEM、TEM、TG-DTA和FT-IR等测试手段表征了样品的性能参数。具体内容如下:1.采用自主创新的溶胶-凝胶-蒸镀法,以SnCl_4·5H_2O为锡源,SnF_2为氟源,制备FTO薄膜,重点讨论了前驱体反应温度、反应时间、基体温度、镀膜次数等条件对FTO薄膜的结构、形貌以及光电性能的影响。结果表明,当前驱体反应温度50℃,反应时间5 h,基体温度600℃,镀膜次数1次时,可获得方块电阻为14.7Ω?¨-1的FTO薄膜。2.研究不同F/Sn原子比(0-22%)对FTO薄膜性能的影响,并对FTO薄膜进行综合光电性能指数分析。研究结果表明,F-离子替位部分O_2-离子,形成SnO_2-xFx,从而影响FTO薄膜的导电性能。SnO_2-x Fx为四方金红石型多晶结构,且沿(110)晶面有定向生长优势,其XRD衍射峰与SnO_2标准峰(JCPDS card no.41-1445)相一致。SnO_2-xFx薄膜表面呈类金字塔状,晶粒尺寸约为20 nm。SnO_2-xFx的晶格条纹宽度为0.33 nm,对应(110)晶面的衍射花样图案,表明晶粒沿该晶面方向择优生长。SEM灰度图的三维结构的分形维数反应了薄膜表面的粗糙程度,随着分形维数值的增大,薄膜表面越粗糙,方块电阻也越大,导电性能降低。当F/Sn原子比为14%时,FTO薄膜的可见光区平均透过率为79.2%,方块电阻为14.7Ω?¨-1,此时,FTO薄膜的综合光电性能指数(ΦTC=66.1×10-4Ω-1)最大,中远红外反射率(RIR=86.07%)最大,薄膜质量最优。3.以不同氟的化合物如CF_3COOH、HF和SnF_2为氟源,采用溶胶-凝胶-蒸镀法制备不同F源掺杂的SnO_2薄膜,主要研究CF_3COOH、HF和SnF_2三种氟源的掺入对薄膜的结构、形貌以及光电性能的影响。研究表明,三种氟源制备的FTO薄膜均呈现四方金红石型结构,表面形貌分别为不规则多边形状、棒状以及金字塔状。以CF_3COOH、HF或SnF_2为氟源的顺序,FTO薄膜的综合光电性能指数ΦTC值依次为10.2×10-4Ω-1、49.2×10-4Ω-1和66.1×10-4Ω-1,热辐射性能指数RIR值依次为49.1%、83.1%和86.07%。这表明:以SnF_2为氟源时,FTO薄膜综合光电性能最优,热工性能最优。4.三种氟源对FTO薄膜性能的影响机制主要表现为F-离子与SnO_2晶粒间的键合方式或生成氟锡化合物的难易程度有关:SnF_2自身为锡氟化合物,作为氟源的同时也作为锡源,可进行一次性有效掺杂;而HF对SnO_2具有二次性掺杂,且对SnO_2晶粒有较强的腐蚀作用;而CF_3COOH属于间接掺杂。一次掺杂的氟源(SnF_2)制备的FTO薄膜性能要优于二次掺杂的(HF)以及间接性掺杂的(CF_3COOH)氟源制备的FTO薄膜的性能。
【图文】：
文 ，其中，Sn 原子（黑色）和 O 原子（红色）SnO2晶型结构中，每个 Sn 原子与周围 6 个 Sn 原子成键，则每个 SnO2晶胞中含有 2 个4 ）。其中，晶胞参数α=β=γ=90°，晶胞常数 氟离子与氧离子的离子半径相近，F-离子（绿掺杂后仍保持未掺杂的 SnO2的金红石型结构
前，市面上以在线 CVD 法和离线磁控溅射法为主生产单面膜。以 CVDVD 法的锡槽用 N2和 H2作保护气，其中，N2提供惰性气体氛围，H2用来本研究采用的制备方法溶胶-凝胶-蒸镀法在自然的空气氛围中即可完成，气或惰性气体氛围。此外，在线 CVD 法的特点是边生产白玻边镀膜，成单侧镀膜；而本研究所采用的溶胶-凝胶-蒸镀法可以实现双侧镀膜[56]。双简化工艺、降低成本之外，，最大优点就是节能保温性能更好。A 液SnCl4·5H2O50 ℃10 minF 掺杂剂50 ℃5 hB 液C 液2 d陈化
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2
【参考文献】
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