射频、直流共溅射金属掺杂SnO2薄膜的制备及其光电特性研究

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透明导电氧化物薄膜由于其电阻接近金属,在可见光范围内具有较高的透射率,在红外范围具有高反射率及半导体特性,在光电器件应用中扮演着重要角色.SnO2薄膜作为一种优良的透明导电氧化物薄膜,由于其可见光透光性好,紫外吸收系数低,电阻率低,化学性能稳定,以及室温下抗酸碱能力强等优点,被广泛应用在太阳能电池,热电材料,透明电极材料以及其气敏材料等方面。  本研究主要内容包括:⑴利用射频反应磁控溅射的方法室温下在 Si(100)和玻璃衬底上制备SnO2薄膜.通过控制实验参数,得到高结晶度 SnO2薄膜的沉积条件如下:在Si(100)衬底上:沉积功率为120 W,氩氧比率为5:1,沉积压强为0.4 Pa,沉积时间为90 min;在玻璃衬底上:沉积功率120 W,氩氧比率为4:1,沉积压强为0.4 Pa,沉积时间为75 min.通过X射线衍射(XRD)分析可知,制备的SnO2薄膜为多晶结构,Si(100)衬底沉积的SnO2薄膜的结晶度高于玻璃衬底的样品.扫描电子显微镜(SEM)图像表明薄膜表现出良好的结晶度,表面颗粒均匀,薄膜致密.紫外可见分光光度计测量薄膜的反射率和透过率,样品的平均透过率为82.8%.光致发光的发射光谱表现为单一的宽带发射,最大值位于340 nm和430nm附近。⑵采用射频和直流磁控共溅射的方法Al掺杂的SnO2薄膜(Al-SnO2).X射线衍射表明Al掺杂改善了SnO2薄膜的结晶度,并且随着Al含量的增加SnO2薄膜的电阻率呈线性降低.Al的存在改变了SnO2薄膜的表面形貌,晶体颗粒大小约为50 nm,与未掺杂的SnO2薄膜相比,晶粒逐渐变小且排列致密.在可见光区域,Al-SnO2薄膜的反射率和透射率与未掺杂的SnO2薄膜的相比均有所提高.与未掺杂的SnO2薄膜的发射和激发光谱相比,Al-SnO2薄膜的发射光谱和激发光谱除了峰值强度略微减小外没有明显的变化。⑶采用射频和直流磁控共溅射的方法制备了Zn掺杂的SnO2薄膜(Zn-SnO2).XRD表明Zn的掺杂对Si衬底上沉积的SnO2薄膜的结晶度有明显的加强,对玻璃衬底上沉积的SnO2薄膜促进作用相对弱一些.随着Zn含量的增加,Zn-SnO2的电阻率降低两个个数量级,最低电阻率为0.23Ω·cm.Zn-SnO2薄膜的反射率随着掺杂功率增加先增加后减小,随着掺杂时间增加而增加.当掺杂功率40 W时透射率最大,高达83.8%.随着掺杂功率的增加,Zn-SnO2薄膜的透射率逐渐降低.与未掺杂的SnO2薄膜的发射和激发光谱相比,Zn-SnO2薄膜的光谱曲线相似,强度均有所减弱.发射光谱的发光峰位有红移现象,激发光谱的激发峰位置有蓝移现象。
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