溶胶—凝胶旋涂法制备Sn-Al共掺ZnO薄膜及光电性能研究

发布时间：2020-07-30 04:07

【摘要】：透明导电薄膜(Transparent Conductive Film)具有良好的光电性能,被广泛的应用于液晶显示器、透明电极太阳能电池以及各类光电器件中,其中应用最为广泛的是氧化物透明导电(Transparent Conductive Oxide,简称TCO)薄膜。其中ITO薄膜因其有毒且价格昂贵,限制了其应用范围。ZnO(Zinc oxide,简称ZnO)基薄膜因其自身的优点被开发研究后,已实现取代ITO薄膜的目的。氧化锌是具有六角纤锌矿结构的金属氧化物。室温下具有禁带宽度为3.37 eV的直接带隙,ZnO材料的激子束缚能比较高(约为60meV),性能稳定,不易与其他物质发生反应,被应用在光电器件中,因此选择合适的制备方法合成优异的ZnO薄膜材料成为研究热点。本文采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel),选用乙二醇甲醚作为溶剂,乙酸锌为体系前驱物,九水合硝酸铝和结晶四氯化锡作为掺杂剂提供Al源和Sn源,乙醇胺作为制备胶体的稳定剂,使用涂覆制膜法在衬底上经过热处理成功制备了未掺杂ZnO薄膜、Al掺杂ZnO薄膜和Sn-Al共掺ZnO复合薄膜。通过对本征ZnO制备工艺条件的研究得出预处理温度为180℃、衬底为Si片时,制备的薄膜性能最好。采用X射线衍射仪(X-ray diffraction,简称XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,简称SEM)、紫外可见分光光度计(Ultraviolet visible spectrophotometer,简称UV-Vis)、光致发光谱(Photoluminescence,简称PL谱)等测试手段对样品进行表征,分别对半导体薄膜的晶格参数、晶体结构、结晶质量、薄膜微观形貌、光学透过率及其禁带宽度进行了分析与研究,同时还对薄膜的电学性能进行分析和研究。结果表明:(1)向ZnO薄膜中引入Al和Sn两种元素,不改变薄膜的晶格结构,对薄膜的C轴择优取向及晶粒尺寸有一定的影响;(2)Al掺杂ZnO薄膜,薄膜的择优取向变好,晶粒变小,禁带宽度变大,表面光滑平整,薄膜的透过率均在90%以上,电阻率也都较低。(3)Sn-Al共掺ZnO薄膜,Sn的掺入改善了薄膜的光学性能,使薄膜的透过率进一步提高,电学性能更佳。
【学位授予单位】：辽宁师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

原子,纤锌矿结构,氧化锌,小球

溶胶-凝胶旋涂法制备Sn-Al共掺 ZnO 薄膜及光电性能研究是取代 Zn 或 O 的位置，但是不改变晶格结构。而且由于其结构轴取向生长，ZnO 的构成原子配位的不对称性使它具有压电及热电O 薄膜组分或缺陷发生改变，使其获得良好的电学性能和优异的之中，从而提高 ZnO 的应用范围。

原理图,溶胶凝胶工艺,原理图

辽宁师范大学硕士学位论文艺上介绍的制备工艺以外，实验室中常见的薄膜制备工艺]还包括(Melt growth )、水热生长法(Hydrothermal)、阳极氧化法等[29,30]胶工艺的简介胶的原理散体系[31]指离子大小在 1-100nm 范围内的体系，无论气体、液体成胶体，具有及其特殊的物理、化学特性。溶胶凝胶法利用这一醇溶液中经过化学物理反应形成胶体溶液，然后利用凝胶方法制着溶胶凝胶技术的不断发展、市场需求的不断提高，能够制备更料应用在不同领域，包括材料、生物材料、陶瓷、光学等领域。.1 所示：

溶剂,凝胶,溶胶凝胶工艺,旋涂法

不同杂质的同时引入可以改善薄膜材料的光电性能。（5）该工艺可以在不同形状或种类的衬底上镀膜，并且成膜区域比较大，在本论文中选用的旋涂法，可以明显提高样品的纯度，合理的对样品材料的厚度进行调节。即使溶胶凝胶法得到了广泛的应用和快速的发展，具有很多的优点，但是还存在一些缺点和不足：（1）溶胶凝胶工艺选用的溶剂大部分都是有机物，甚至具有毒性，可能对实验人员的身体健康带来危害，所以在试验中一定要加以安全防护。（2）在热处理过程中对于温度的要求很高，选择合适的温度对于成膜质量很重要，实验中各个工艺参数薄膜的质量产生影响，在试验过程中需要对这些参量严格的控制。2.2.3 胶体的制备机理当溶质溶解在溶剂中后，一般会发生醇解或水解两种化学反应，由两种反应形成的产物再进行缩合则形成纳米级溶胶，胶体老化后，胶粒之间紧密堆积排列逐渐形成三维网格状结构，凝胶初步形成的标志是网格间填充着丧失流动性溶剂，凝胶在制备薄膜时要分别经干燥和退火后方可形成纳米材料。

【参考文献】