铜铁矿型红外透明导电膜的制备与光电性能研究

发布时间：2017-08-18 18:38

  本文关键词：铜铁矿型红外透明导电膜的制备与光电性能研究

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【摘要】：透明导电氧化物(TCO)薄膜材料的研究与应用由来已久,但是大多数被广泛应用的薄膜材料都是N型材料,对于P型薄膜材料的研究还不成熟。铜铁矿结构的三元氧化物材料(如CuAlO_2)被发现以来,得到了较高的重视。它是一种P型半导体材料,有一定透过率和电导率。但是目前大多数对该薄膜材料的透过率研究都局限于可见光波段,并且该材料电导率也不理想。若是能够通过掺杂等手段对其进行性能改善,提高这种材料的光电性能,就可以将它广泛应用于军事、工业和生活生产等方面,并能极大促进透明氧化物半导体领域的发展,具有非常重要的意义。本课题来源:国家自然科学基金项目,项目名称:铜铁矿结构CuXO2红外透明导电薄膜的光电性能和择优取向制备研究,项目编号:NO.11404129。该项目要求薄膜性能指标:红外透过率大于80%,电导率大于2 S/cm。本文针对项目要求,做了如下工作:1.采用溶胶凝胶法,在石英衬底上分别制备Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)离子掺杂的CuAlO_2和CuCrO_2薄膜,并改变制备过程中元素掺杂浓度。从薄膜晶体结构、元素价态、形貌结构、透过率、电导率等方面讨论各薄膜样品组的性能。实验结果表明:采用该方法成功制备出了铜铁矿结构的CuAlO_2和CuCrO_2薄膜,经过掺杂后的薄膜在透过率和电导率方面有不同程度的提升。其中掺杂7%Fe~(3+)离子的CuAlO_2薄膜在近红外区的透过率达到87%;掺杂5%Zn~(2+)离子的CuCrO_2薄膜电导率达到3.88S/cm。2.采用磁控溅射法,以Cu靶和Al靶为溅射源,在蓝宝石衬底上沉积薄膜。改变制备过程中的溅射功率,溅射时间,溅射气氛。将溅射后的薄膜分别经过空气和氮气退火,最终得到CuAlO_2。通过对比实验,得到最佳溅射条件为:溅射功率Cu:40w,Al:160w,溅射时间20min,纯氩气环境。该条件下能够得到纯相CuAlO_2薄膜,薄膜厚度为116nm,表面粗糙度均方根为11.7nm。和溶胶凝胶法相比,磁控溅射法制备的薄膜表面形貌有显著改善,该方法制备的薄膜在红外波段透过率达到83%。3.改变放置时间、温度、湿度等环境因素,观测CuAlO_2薄膜形貌稳定性情况。实验结果表明:放置时间的长短对薄膜形貌结构影响较小;温度和湿度的提升会使薄膜表面形貌发生缺陷,湿度越大或者温度越高,对薄膜造成的缺陷越大。
【关键词】：透明导电膜 掺杂 薄膜制备 光电性能 稳定性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 透明导电氧化物薄膜研究背景和意义11-12
• 1.2 铜铁矿型氧化物晶体结构12-14
• 1.3 铜铁矿型红外透明导电膜研究现状14-20
• 1.3.1 国外研究现状14-17
• 1.3.2 国内研究现状17-20
• 1.4 铜铁矿型红外透明导电薄膜的应用20-21
• 1.5 本文研究内容及创新点21-23
• 第二章 铜铁矿型红外透明导电膜的制备与表征方法23-29
• 2.1 薄膜制备方法23-24
• 2.2 薄膜晶体结构表征方法24-26
• 2.3 薄膜形貌表征方法26-27
• 2.4 薄膜透过率表征方法27-28
• 2.5 薄膜电学性能表征方法28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 不同元素掺杂的CuAlO_2薄膜性能29-48
• 3.1 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuAlO_2薄膜晶体结构31-33
• 3.2 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuAlO_2薄膜价态分析33-35
• 3.3 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuAlO_2薄膜形貌结构35-39
• 3.4 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuAlO_2薄膜晶格常数39-40
• 3.5 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuAlO_2薄膜透过率40-42
• 3.6 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuAlO_2薄膜电导率42-46
• 3.7 本章小结46-48
• 第四章 不同元素掺杂的CuCrO_2薄膜性能48-64
• 4.1 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuCrO_2薄膜晶体结构48-50
• 4.2 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuCrO_2薄膜价态分析50-52
• 4.3 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuCrO_2薄膜形貌结构52-56
• 4.4 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuCrO_2薄膜晶格常数56-57
• 4.5 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuCrO_2薄膜透过率57-59
• 4.6 Ca~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)掺杂CuCrO_2薄膜电导率59-62
• 4.7 本章小结62-64
• 第五章 薄膜形貌改善与优化64-77
• 5.1 磁控溅射法制备薄膜64-67
• 5.2 不同溅射功率下薄膜的成分与形貌67-69
• 5.3 不同溅射时间下薄膜的成分与形貌69-71
• 5.4 不同溅射气氛下薄膜的成分与形貌71-74
• 5.5 薄膜透过率分析74-76
• 5.6 本章小结76-77
• 第六章 薄膜形貌稳定性初步研究77-83
• 6.1 时间对薄膜形貌稳定性影响77-78
• 6.2 温度对薄膜形貌稳定性影响78-80
• 6.3 湿度对薄膜形貌稳定性影响80-82
• 6.4 本章小结82-83
• 第七章 总结与展望83-85
• 7.1 总结83-84
• 7.2 展望84-85
• 参考文献85-91
• 作者简介及科研成果91-92
• 致谢92

【参考文献】

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本文编号：696179