Al掺杂ZnO透明导电薄膜的液相法制备及其光电性能研究

发布时间：2018-04-30 17:24

  本文选题：ZnO薄膜 + 溶胶-凝胶法　； 参考：《山东大学》2011年博士论文

【摘要】：透明导电氧化物薄膜具有禁带宽、可见光范围内透过率高和电阻率低等优点,在液晶显示器、太阳能电池、触摸屏面板以及光电器件等领域得到广泛应用。目前,常用的是锡掺杂氧化铟透明导电薄膜,但是铟为稀缺资源。因此探索和研究其它性能优良的透明导电薄膜材料成为研究的热点之一。 ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族直接宽带隙半导体材料,纳米量级的氧化锌具有纳米材料和优异半导体材料性能,在液晶显示器保护膜、太阳能光伏电池、保护层、光电传感器、气敏器件、光谱发射和光催化等方面有表现出潜在应用价值。由于氧化锌不具有毒性,且原料丰富制备成本较低,近几年成为透明导电薄膜研究的热门材料。其中,Al离子掺杂的ZnO (ZAO)薄膜具有良好的光学和电学性能,热稳定性好,受到研究者广泛关注。 制备薄膜的方法有多种,常用的有溶胶—凝胶法、激光脉冲沉积法、水热法、化学气相沉积法和磁控溅射法等。其中基于溶液的溶胶-凝胶法、水热法的薄膜制备方法,具有操作简单、不需要贵重仪器、价格低廉的优点,但所制备的薄膜电学性能较差,制备过程有待改进。本文选用Al离子掺杂ZnO透明导电薄膜为研究对象,采用溶胶—凝胶法和水热法,控制溶胶浓度、Al离子掺杂浓度、预处理温度、退火温度、退火气氛等反应参数,制备了ZAO薄膜。借助于X-射线衍射、扫描电镜等测试手段,分析了薄膜的微观结构和物相组成,探讨和研究了薄膜的形成过程和机制；采用霍尔效应测试仪、紫外-可见分光光度计、荧光光谱等测试手段表征和探讨了薄膜的电学性能和光学性能；尝试进行了在溶胶中加入离子液体对薄膜性能影响的研究。具体研究内容如下： (1)采用溶胶—凝胶法在玻璃衬底上制备出了性能良好的Al离子掺杂ZnO透明导电薄膜,研究了溶胶浓度、Al离子掺杂浓度、预处理温度、退火温度、退火气氛对薄膜光电性能的影响。研究结果发现,溶胶浓度的增加有助于薄膜结晶性能的提高。薄膜的电阻率随Al离子掺杂浓度的增加先减小后增加。在A1离子掺杂浓度较低时,薄膜中载流子浓度随A1离子掺杂浓度的增加而升高,但是过多的Al离子掺杂会在晶格间形成缺陷,降低载流子浓度和迁移率,使得薄膜电阻率升高。对薄膜制备过程中退火温度和退火气氛进行研究,发现当退火温度升高时,原子具有足够的能量在薄膜表面上成核并移动到低能量位置,使薄膜中缺陷减少,提高薄膜结晶质量。退火气氛可以引起本征缺陷类型和缺陷浓度的变化。氨气还原性气氛下退火,可以还原界面处的吸附氧行为,增加薄膜中氧空位的浓度,提高载流子浓度和霍尔迁移率,降低薄膜的电阻率。同时,氨气气氛下退火可以改善薄膜的微观结构,使颗粒之间形成导电网络,提高导电性能。所制备薄膜最低电阻率为4.401×10-4Ω·cm,相应载流子浓度和霍尔迁移率分别为2.895×1020cm-3和48.99 cm2/V·s,在可见光范围内透过率为83%。 (2)采用水热法制备了ZAO薄膜。研究了反应时间和A1离子掺杂浓度对ZAO薄膜的结构、光学和电学性质的影响。结果表明,Al离子掺杂浓度对薄膜的形貌影响很大,得到了几种不同形态的ZAO薄膜结构。水热反应时间对薄膜的结晶性和形貌也有明显影响。通过控制反应时间,得到了非晶薄膜和多晶薄膜。测试结果表明,非晶薄膜可见光透过率较高。 (3)利用离子液体表面张力低、粘度大的特点,在溶剂体系中添加离子液体,采用溶胶一凝胶法制备出性能良好的透明导电薄膜。测试结果表明离子液体的加入,可以减少镀膜层数,同时薄膜生长取向也发生改变。所制备出的透明导电薄膜,薄膜的电阻率最小为4.7×10-2Ω.cm,载流子浓度、霍尔迁移率分别为1.929×1018cm-3,和67.79 cm2/V·s。
[Abstract]:Transparent conductive oxide films are widely used in the fields of liquid crystal display , solar cell , touch screen panel and photoelectric device .

ZnO is a kind of direct wide band gap semiconductor material of type 鈪，

本文编号：1825486