靶基距、溅射角及退火对AZO薄膜光电性能影响蜂窝煤
云颠簸
AZO薄膜具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等光电特性,在众多领域拥有良好的现实及潜在应用前景。且存在丰富的原材料,一旦大规模应用,可不用担心资源枯竭及价格高昂等问题。
本文通过固相反应法制得实验所用AZO陶瓷靶材,通过对AZO粉末的TG-DSC测试分析来制定烧结曲线,并计算所制得靶材收缩率。通过射频磁控溅射法制备AZO薄膜,通过EDS测试研究其与AZO粉末成分,并进行对比分析。
通过XRD、HALL、UV等表征手段研究了不同靶基距及溅射角所制备AZO薄膜的相结构及光电特性,并出最优靶基距参数及最优溅射角参数。同时,通过XRD、HALL、UV等表征手段探讨了薄膜相结构及光电特性与退火温度及退火时间的关系,并出最优退火温度及最优退火时间。
得到以下主要实验结果:(1)通过对AZO粉末的TG-DSC测试分析,设定烧结曲线。最关键是在1250℃、1300℃及1450℃处保温。
在1250℃处保温4小时是为了使晶粒组织间溶解充分,增强靶材强度。在1300 ℃处保温1小时是为了使晶界上的物质不断扩散到空隙处。
在1450℃处保温3.5小时,是为了促使晶体重结晶及使靶材中残留胶水分解排出,提高靶材致密度。制得靶材收缩率为8.25%。
vb图书管理系统(2)通过对AZO薄膜的EDS测试分析,A1原子和Zn原子比虽与所设计化学计量比略有偏差,但偏差不大,A1原子基本按照所设计化学计量比进行了掺杂。通过与AZO粉末的EDS测试分析对比,可知靶材烧结大大促进A1203和ZnO粉末的均匀混合。
(3)通过对不同靶基距所制备AZO薄膜的性能分析,得出所用镀膜仪器溅射薄膜最优靶基距应为13cm(仪器可调最小靶基距),所制得AZO薄膜品质因子最大,且薄膜沉积速率最大。其中,随着靶基距逐渐增大,薄膜晶粒尺寸逐渐减小,张应力逐渐增大,结晶质量逐渐变差,溅射速率逐渐减小。 上述现象是因为溅射原子与Ar+多次碰撞,导致溅射原子到达基底时能量小甚至无法到达基底,即使到达基底,也由于溅射原子迁移扩散能力弱,影响薄膜沉积速率与成膜质量。随着靶
基距逐渐增大,薄膜电阻率逐渐增大,所制备AZO薄膜在靶基距为13cm时电阻率最低,为1.13×10-2Ω·m,这是由载流子浓度及迁移率共同决定的。
此时,载流子浓度最大,但迁移率不是最大值,迁移率最大值在靶基距为16cm时取得,这是由离化杂质原子散射及晶界散射共同决定的。薄膜的平均光透过率总体逐渐增大,但靶基距为13cm时,所制备薄膜结晶质量好,晶界散射弱,使得其平均光透过率反而大于靶基距为14cm时所制备薄膜的平均光透过率,此外,所制得薄膜平均光透过率都在92%以上。
所制得薄膜禁带宽度Eg变化范围为3.48eV-3.60eV,且随靶基距的增大而增大,这种反常现象是由于量子尺寸效应导致的。(4)通过对不同溅射角所制备AZO薄膜的性能分析,得出所用镀膜仪器溅射薄膜最优溅射角应为50°,所制得AZO薄膜品质因子最大,且薄膜沉积速率相对较大。
其中,随着溅射角逐渐增大,薄膜晶粒尺寸逐渐增大,张应力逐渐减小,结晶质量逐渐变好。薄膜沉积速率在溅射角为40°时,因靶材对基底的溅射投影面最大,取得最大值。
随着溅射角逐渐增大,所制得薄膜电阻率逐渐减小,溅射角为50°时薄膜载流子及迁移率共同
微波消解法
作用使得所制得AZO薄膜电阻率最低,为2.0×10-2Ω·m。薄膜平均光透过率总体逐渐减小,薄膜平均光透过率在溅射角为40°时,其沉积速率最快使得所制得薄膜最厚,因而所制得薄膜平均光透过率达到最低值。刘智仁
而溅射角为50°时,因靶材对基底的溅射投影面相对溅射角为40°时要小一些,因而薄膜光透过率相对要略高一些。此外,所制得薄膜的平均光透过率都在92%以上。
所制得薄膜禁带宽度Eg变化范围为3.56eV-3.61eV,且与载流子浓度变化规律相一致,这与Burstein-Moss效应相符。(5)通过对未退火及经不同退火温度退火的AZO薄膜样品的性能分析,得出最优退火温度应为400℃,所得AZO薄膜品质因子最大。
其中,随着退火温度升高,薄膜晶粒尺寸逐渐增大,张应力逐渐减小,结晶质量逐渐变好。随着退火温度升高,薄膜电阻率逐渐减小(减小一个数量级),由σ=1/ρ=nμe可知,这是由于载流子浓度及迁移率逐渐增大造成的,而载流子浓度增大是由于氧空位数量随退火温度的升高而增大,迁移率增大是由于晶粒长大造成的,所制得AZO薄膜最低电阻率为1.39×10-3Ω·m。光栅方程
薄膜的平均光透过率退火后总体得到提升,原因是退火使得薄膜紫外吸收边蓝移,以及薄膜晶
粒长大造成晶界散射减弱。而薄膜的平均光透过率增加幅度随退火温度升高而逐渐减小,应是随着退火温度的升高,O空位增多,形成陷光结构,造成缺陷散射,且退火温度为450℃时,薄膜平均光透过率相比薄膜未退火前反而减小,除氧缺陷增多的原因外,可能还存在晶粒异常长大现象,造成晶粒大小不均匀,从而使得薄膜光散射率增大,光透过率减小,但薄膜平均光透过率仍在89%以上。
薄膜禁带宽度Eg变化范围为3.54eV-3.77eV,且总体随退火温度的增大而增大,这是载流子浓度随退火温度的增大而增大造成的。而退火温度为450℃时,退火所得薄膜禁带宽度较之退火温度为400℃时反而减小,这是由于晶粒异常长大及氧缺陷达到一定值,使得缺陷能带变宽,禁带宽度变窄。
通过比较未退火及300℃条件下退火1h的AZO薄膜样品的室温光致发光光谱(PL),可知退火使得薄膜发生蓝移现象,点缺陷减少(间隙Zn原子等),但氧空位增多。(6)通过对未退火及在400℃条件下退火不同时间的AZO薄膜样品的性能分析,得出最优退火时间应为60min,所得AZO薄膜品质因子最大。
其中,随着退火时间的增加,薄膜晶粒尺寸先增大后减小,张应力逐渐减小,结晶质量先变好后
变差。随着退火时间的增加,薄膜载流子浓度逐渐减小,迁移率先增大后减小,它们共同作用使得薄膜电阻率先增大后减小,AZO薄膜退火时间为60min时,电阻率取得最小值,为1.63×10-3Ω·m。
随着退火时间的增加,薄膜的平均光透过率先增大后减小。薄膜的平均光透过率先增大,这是由晶粒长大造成晶界散射减小的结果,且在退火时间为120min时取得最大值。
当退火时间进一步增大,薄膜的光透过率逐渐减小,这是由紫外吸收边蓝移现象减弱及晶粒细化造成晶界散射增强造成的,但薄膜平均光透过率仍在89%以上。AZO薄膜禁带宽度Eg变化范围为3.55eV-3.77eV,禁带宽度Eg先增大后减小,先增大是因为间隙Zn原子获得足够的活化能回到晶格中,导致缺陷能级变窄,禁带变宽。
禁带宽度后减小,应是晶粒细化使得缺陷能级变宽及载流子浓度下降造成的。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议