低温下AZO透明导电薄膜的制备及其光电性能研究

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铝掺氧化锌(ZnO:Al,AZO)由于具备原材料丰富,无毒,高温及氢等离子体环境中稳定等一系列的优点成为透明导电薄膜材料领域中的研究热点,具有巨大的应用潜力。通常,结晶性优异AZO薄膜的制备一般需要加热或退火处理,这限制了 AZO薄膜在柔性器件等领域中的应用。因此如何在低温下直接制备出具有择优取向和优异光电特性的AZO薄膜就显得尤为重要,此外对低温下AZO薄膜生长动力学的系统研究仍有待探索。本论文采用射频磁控溅射的方法,探索了低温制备具有择优取向结构和性能良好的AZO薄膜制备工艺,并对其生长机理和生长动力学进行了初步研究。首先,采用射频磁控溅射的方法,初步探索出低温下有利于获得择优取向结构的工艺参数,并通过优化工艺参数,系统地研究了氩气流量对所制备样品的形貌、微结构、光学、电学、光致发光等性能的影响。结果表明,工作气压为1.0 Pa时有利于择优取向结构的获得。氩气流量为44 sccm时,得到电阻率为1.39×10-3 Ω·cm,方块电阻为8.2Ω/sq,平均透过率为84.2%的AZO薄膜。其次,系统地研究了沉积时间和溅射功率对AZO薄膜形貌、微结构、光学、电学、光致发光性能的影响。低温生长AZO薄膜的光电性能主要受到其晶体结构的影响。本论文提出了与薄膜生长阶段相关的薄膜微结构演变模型,并通过改变溅射功率,研究不同功率对薄膜微结构中致密的柱状结构及光电性能的影响规律。实验结果表明,致密柱状结构的出现极大地提高了样品的结晶质量。此外,更高的功率有利于薄膜中致密的柱状结构的更早出现,从而提高薄膜的结晶性。功率更高时,致密的柱状结构出现时对应的薄膜厚度有减小的趋势。当功率低于210 W时,致密的柱状结构对薄膜的电学性能有非常重要且有益的影响,当功率高于210 W时,电学性能主要受Al的含量和存在形式影响。最终,在射频功率为210W时,获得电阻率为1.15×10-3Ω·cm,方块电阻为6.07 Ω/sq,平均透过率为83.2%的AZO薄膜。XRD和XPS分析结果表明,当沉积功率为240W时AZO薄膜电学性能的下降是由于Al含量的降低和出现了A12O3所致。
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