F,Al共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备及掺杂机理研究

本文采用磁控溅射技术,对F和Al共掺杂ZnO(FAZO)薄膜进行研究,系统地研究了溅射气压对薄膜结构、形貌、光电等特性的影响.实验研究结果表明:F,Al共掺入并未改变ZnO的生长方式,所制备的薄膜都呈(002)择优生长;随着溅射气压增加,FAZO薄膜的沉积速率降低,结晶质量恶化,表面形貌由“弹坑状”逐渐变为“弹坑状”与“颗粒状”并存的形貌特性,表面粗糙度增加.在0.5 Pa时制备的FAZO薄膜性能最优,迁移率40.03 cm2/(V·s),载流子浓度3.92×1020 cm–3,电阻率最低,为3.98×10–4 ΩW·cm,380-1200 nm平均透过率约90%.理论模拟结果表明:F和Al的共掺杂兼顾了F,Al单独掺杂的优点,克服了以往金属元素掺杂仅依靠金属元素轨道提供导电电子的不足,实现了既增加载流子浓度又减少了掺入原子各轨道间相互作用对载流子散射的影响.掺入的F 2p电子轨道对O 2p及Zn 4s电子轨道产生排斥,使它们分别下移,提供导电电子;同时掺入的Al的3s和3p电子轨道也为导电电子提供了贡献.F和Al共掺之后载流子浓度提升更加显著,导电性能增强.

掺杂浓度对Al-F共掺杂ZnO透明导电薄膜性能的影响

通过溶胶-凝胶法制备了不同Al-F掺杂浓度的ZnO薄膜,研究了薄膜的晶体结构、表面形貌、电阻率和透光性随着掺杂浓度的变化情况。结果表明:制备的ZnO∶F∶Al薄膜具有高度的C轴择优取向性,薄膜表面平整、晶粒均匀致密。当Al3+和F-的掺杂浓度皆为0.75at%时,薄膜的平均晶粒尺寸最大为43.8nm;导电性能最好,电阻率可低至1.02×10-2Ω.cm;在可见光范围内薄膜的平均透过率超过90%,吸收边出现明显的蓝移现象。

退火气氛对Al-F共掺杂ZnO薄膜结构和光电性能的影响

用射频磁控溅射法制备了Al-F共掺杂ZnO(ZnO(Al,F))透明导电薄膜,研究了不同退火气氛对ZnO(Al,F)薄膜的结构、电学和光学特性的影响。结果表明:在真空和还原性气氛中退火后的薄膜透光率呈现'蓝移'趋势,在空气中退火处理后的薄膜透光率则表现为'红移';在真空中,400℃×60min的退火处理,使ZnO(Al,F)薄膜的电阻率降低至1.41×10^(-3)Ω·cm,透光率则上升到93%以上,有效提高了薄膜的光电特性;所有退火气氛下,薄膜均具有(002)单一择优取向的多晶六方纤锌矿结构;薄膜的晶粒尺寸为25～30nm。

Sol-gel法制备共掺杂ZnO∶Al/N/F薄膜的性能研究

采用溶胶．凝胶法在普通载玻片上旋涂制备出Al、N、F三掺杂ZnO薄膜（ZnO：Al／N／F），分别研究溶胶浓度和掺杂浓度对薄膜结构、表面形貌以及光电性能的影响。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、可见分光光度计、双电测四探针电阻率测试仪进行测试与分析。结果表明：制备出的ZnO：Al／N／F薄膜致密均匀，平整光滑，为高结晶质量的（002）C轴择优取向；当溶胶浓度为0．75mol／L、掺杂浓度为O．90at％时，薄膜在可见光范围内（390～780nm）的平均透过率可达87．9％，掺杂浓度为1．05at％时电阻率最小，为O．23Ω·cm。

退火气氛对Al-F共掺杂ZnO透明导电薄膜性能的影响

通过溶胶．凝胶法，采用Al、F共掺杂的方法在4种不同的气氛下制备ZnO薄膜，研究了薄膜的晶体结构、表面形貌、电阻率和透光性随退火气氛的变化关系．制备的Al：F：ZnO薄膜是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜．4种退火气氛相比，在空气气氛下退火时，平均晶粒尺寸最大，为43．4nm，导电性能最好，电阻率可低达6．5×10^-2Ω·cm。4种退火气氛下，薄膜在可见光范围内的平均透过率均达到了75％以上，其中，空气气氛下退火时薄膜的透光性最好。

膜厚对Zr,Al共掺杂ZnO透明导电薄膜结构和光电性能的影响

采用直流磁控溅射法在玻璃衬底上制备出Zr,Al共掺杂ZnO(AZZO)透明导电薄膜。用XRD和SEM分析和观察了薄膜样品的组织结构和表面形貌。研究表明:制备的AZZO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有c轴择优取向。另外还研究了薄膜的结构、光学和电学性质随薄膜厚度的变化关系。当薄膜厚度为843nm时,电阻率具有最小值1.18×10-3Ω.cm,在可见光区(500～800nm)平均透过率超过93%。

溅射功率对Zr,Al共掺杂ZnO薄膜结构和性能的影响

室温下,采用直流磁控溅射法,在载玻片衬底上制备出了Zr,Al共掺杂ZnO(AZZO)透明导电薄膜。研究了溅射功率对薄膜的组织结构、表面形貌和光电学性能的影响。结果表明,制备的AZZO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有c轴择优取向。当溅射功率为150W时,薄膜电阻率达到最小值1.66×10–3Ω·cm,在可见光区平均透过率超过93%。

Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的制备及其光学特性

采用溶胶-凝胶(sol-gel)旋涂法在载玻片上制备了不同Al掺杂量的Mg-Al共掺杂ZnO薄膜.在室温下利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光(PL)谱仪等手段分析了Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的微结构、形貌和发光特性.XRD结果表明Mg-Al共掺杂ZnO薄膜具有六角纤锌矿结构;随着Al掺杂量的增加,共掺杂薄膜呈c轴取向生长.由SEM照片可知薄膜表面形貌随Al掺杂量的增加由颗粒状结构向纳米棒状结构转变.透射光谱表明共掺杂薄膜在可见光区内的透射率大于50%,紫外吸收边发生蓝移.在室温下的PL谱表明Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的紫外发射峰向短波长方向移动;Al掺杂摩尔分数为1%和3%的Mg-Al共掺杂ZnO薄膜的可见发射峰分别为596 nm的黄光和565 nm的绿光,黄光主要与氧间隙有关,而绿光主要与氧空位有关.

Al-Sn共掺杂ZnO薄膜的结构与光电性能研究

采用射频磁控共溅射法在玻璃衬底上制备出了Al与Sn共掺杂的ZnO(ATZO)薄膜。在固定ZnO∶Al(AZO)靶溅射功率不变的条件下,研究了Sn靶溅射功率对ATZO薄膜的结晶质量、表面形貌、电学和光学性能的影响。结果表明,制备的ATZO薄膜是六角纤锌矿结构的多晶薄膜,具有c轴择优取向,而且表面致密均匀。当Sn溅射功率为5W时,330 nm厚度的ATZO薄膜的电阻率最小为1.49×10-3Ω.cm,比AZO薄膜下降了22%。ATZO薄膜在400～900 nm波段的平均透过率为88.92%,禁带宽度约为3.62 eV。

Al-Y共掺杂ZnO透明导电薄膜制备及光电性能研究

采用溶胶-凝胶法,在玻璃衬底上制备出Al-Y共掺杂的ZnO透明导电薄膜。X射线衍射(XRD)表明,Al-Y共掺杂ZnO透明导电薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有C轴择优取向。制备的Al-Y共掺杂ZnO薄膜电阻率最小值为1.63×102Ω·cm,在可见光区(400-800 nm)平均透过率超过85%。

H/Al共掺杂对ZnO基透明导电薄膜光电性质和晶体结构的影响

利用H在ZnO中作为浅施主杂质的特性,研究了H掺杂对ZnO∶Al透明导电薄膜特性的影响。通过降低ZnO∶Al中Al的含量并同时引入H掺杂,解决了透明导电薄膜中高导电性与高透过率之间的矛盾。H的掺杂可以显著降低ZnO基透明导电薄膜的电阻率,这是由于H一方面作为施主可以提供电子从而提高了自由载流子浓度;另一方面与ZnO晶界中的O-结合降低了晶界势垒,提高了载流子迁移率。利用H掺杂,可以在Al掺杂量降低10倍的情况下,仍然能获得低电阻率(6.3×10-4Ω·cm)的透明导电薄膜,同时其近红外波段(1 200 nm)透光率从64%提高到90%。这种具有高导电性和高透光性的透明导电薄膜可以应用于各类薄膜太阳能电池中以提升器件效率。

[100]取向Al-Ti共掺杂ZnO薄膜的制备与光电性能研究

采用常压固相烧结法制备了Al-Ti共掺ZnO靶材,采用射频磁控溅射技术及真空退火工艺,在普通玻璃衬底上制备了具有[100]取向Al-Ti共掺杂ZnO薄膜(ZATO).采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对ZATO薄膜的生长机理、显微结构、形貌进行了测试分析,用四探针测试仪、紫外-可见分光光度计及荧光光谱仪对ZATO薄膜的光电性能进行了测试分析.结果表明,ZATO薄膜经500℃保温3h退火后,择优取向由(002)向(100)方向转变;此时,衍射谱上还观察到超点阵衍射线条.[100]取向ZATO薄膜的光学带隙从退火前的3.29降至2.86,平均可见光透过率从90%降至70%,表现为一般的透过性;而电阻率则从1.89×10^(-2)Ω·cm降至1.25×10^(-3)Ω·cm,呈现较好的导电性.薄膜中均出现了380nm附近的带边发射(NBE)峰以及410、564nm的深能级发射峰,且经500℃保温3h退火后,这些峰的位置并未改变,但峰强均明显减弱.对上述实验机理进行了分析讨论.

Al/N共掺杂TiO_(2)薄膜的制备及光学性能

采用溶胶-凝胶旋涂法(Sol-Gel Spin-Coating Method)制备了Al掺杂量为3.00at%,N掺杂量分别为6.00at%,7.00at%,8.00at%和9.00at%的Al/N共掺杂TiO_(2)薄膜样品。对样品测试的结果表明,共掺杂样品依旧保留了TiO_(2)的基本结构,并且Al/N共掺杂样品的晶粒尺寸有不同程度的减小,使样品表面得以修饰,变得更加均匀、平整。共掺杂样品吸收边都出现了不同程度的红移,在紫外光区以及可见光区的吸光性都有所增强。N掺杂量为7.00at%时,(101)衍射峰值最大,峰型最尖锐,所得到的TiO_(2)薄膜的光学性能最好。共掺杂后的样品与本征TiO_(2)相比带隙值都有所减小,且最小值为2.873 eV。以上结果表明Al/N共掺杂TiO_(2)薄膜使其光学性能得到了改善。

Al-N共掺杂制备ZnO薄膜及其性能研究

运用真空射频磁控溅射[1]反应系统(JGP500D1)进行薄膜沉积,在经过镜面抛光过的Si单晶片衬底上[2],利用掺杂质量2%Al的ZnO:Al陶瓷靶(纯度为99.99%),采用施主-受主共掺杂的方法,在N2于Ar体积比1:1的混和气体的气氛下,制备了Al-N共掺杂的ZnO薄膜。探讨了掺杂对薄膜晶体结构、表面形貌及电学性能影响。

H_2对Al-Si-GNP共掺杂ZnO透明导电薄膜性能的影响

以玻璃为基底,采用射频磁控溅射法制备了Al_2O_3、SiO_2、氧化石墨烯(GNP)共掺杂氧化锌(GASZO)透明导电薄膜.考察了在Ar(流量不变)中H_2流量对薄膜制备的影响.采用X射线衍射仪(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)等对薄膜形貌、结构进行了表征.结果表明薄膜晶相为纤锌矿结构、呈c轴择优取向; Scherrer公式计算发现增加H_2量,可以减小薄膜的平均晶粒尺寸; H_2流量对薄膜内应力影响较大.此外,还采用四探针测试仪、紫外—可见分光光度计(UV-Vis)等对薄膜的光电性能进行了表征.当Ar流量为70 sccm、H_2占溅射气氛1. 00%时,薄膜具有最低电阻率7. 746×10^(-4)Ω·cm;适量的H_2流量可以提高玻璃在近紫外区的透过率;镀膜后样品在可见光区的平均透过率为90%左右.

纯Ar气氛中退火对Al掺杂ZnO薄膜性能的影响

用射频磁控溅射技术制备了高度择优取向的Al掺杂ZnO（ZAO）薄膜,并对薄膜在纯氩气中进行了400-600℃的退火处理。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、光谱仪和四探针测试仪等对退火前后薄膜进行了表征和光学、电学性能研究。研究表明,纯氩气中退火处理对ZAO薄膜的晶体、光学和电学性能有影响。原位沉积的薄膜电阻率2.59Ωcm,可见光区透过率约70%。500℃纯Ar气氛中退火1h后,ZAO薄膜的平均晶粒有所长大,薄膜内应力达到最小,接近于松弛状态;薄膜可见光区平均透过率从70%提高到80%左右;而薄膜的电阻率变化不明显,从2.59Ωcm降低到1.13Ωcm。

氮-铟共掺杂ZnO薄膜的制备及表征

以醋酸锌水溶液为前驱体,分别以醋酸铵和硝酸铟为氮(N)源和铟(In)源,采用超声喷雾热解法在石英玻璃衬底上沉积了氮铟(NIn)共掺杂ZnO薄膜。采用X射线衍射、场发射扫描电镜、霍尔效应、塞贝克效应、光致发光谱等分析方法,研究了NIn共掺杂对所得ZnO薄膜的晶体结构、电学和光学性能的影响规律。结果表明:通过氮铟共掺杂,ZnO薄膜的电学和光学性能发生明显改变。优化工艺条件下,所得ZnO基薄膜结构均匀致密,电阻率为6.75×103Ω·cm,并且在室温光致发光谱中检测到很强的近带边紫外发光峰,表明薄膜具有较理想的化学计量比和较高的光学质量。

N-Al共掺ZnO薄膜的p型传导特性

利用直流反应磁控溅射技术制得N Al共掺的p型ZnO薄膜,N2O为生长气氛.利用X射线衍射(XRD),Hall实验,X射线光电子能谱(XPS)和光学透射谱对共掺ZnO薄膜的性能进行研究.结果表明,薄膜中Al的存在显著提高了N的掺杂量,N以N Al键的形式存在.N Al共掺ZnO薄膜具有优良的p型传导特性.当Al含量为0.15wt%时,共掺ZnO薄膜的电学性能取得最优值,载流子浓度为2.52×1017cm-3,电阻率为57.3Ω·cm,Hall迁移率为0.43cm2/(V·s).N Al共掺p型ZnO薄膜具有高度c轴取向,在可见光区域透射率高达90%.

Al掺杂ZnO薄膜的微结构及电学特性

用(ZnO)1-x(Al2O3)x(x=w(Al2O3)=0、0.01、0.02、0.05)陶瓷靶材为原料,通过电子束反应蒸发生长了非故意掺杂及Al掺杂的ZnO薄膜.采用X射线衍射、Raman散射及霍尔效应技术研究了薄膜的晶体微结构及电学特性.结果表明,由(ZnO)1-x(Al2O3)x(x≤0.02)的靶材生长得到的Al掺杂ZnO薄膜仍具有高度c-轴取向的纤锌矿晶体结构,但随着薄膜中Al掺入量的增加,其c-轴取向性有所退化;Raman光谱测量表明,Al掺杂ZnO薄膜的本征内应力随着Al掺入量的增加而增大,(ZnO)0.98(Al2O3)0.02薄膜中Al和Zn的原子个数比为6∶94,此时薄膜的内应力已接近饱和;Al掺杂ZnO薄膜的电阻率随着Al掺入量的增加呈现先减小后增大的特征,(ZnO)0.98(Al2O3)0.02薄膜具有最小的电阻率(7.85×10-4Ω.cm),这归因于该类薄膜同时具有高电子浓度(1.32×1021cm-3)和较高的电子迁移率(6.02 cm2/(V.s)).

溶胶-凝胶旋涂法制备Al掺杂ZnO薄膜及其光电性能的研究

利用溶胶-凝胶(sol-gel)旋涂法制备不同Al掺杂量的ZnO薄膜.采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)和光致发光谱(PL)等测试手段对Al掺杂ZnO薄膜的晶体结构、表面形貌及光电性能进行表征.结果表明:所制备的样品均沿(002)方向择优生长,无其他杂相的出现.随着Al掺杂量的增加,薄膜的晶粒尺寸先减小后增大,当Al掺杂量为0.020时晶粒尺寸最小,其表面晶粒最为均匀、致密;近紫外发光峰的强度先增强后减弱,并且出现了轻微蓝移的现象;薄膜的电阻值先减小后轻微增大.当Al元素的掺杂量为0.015时,薄膜表面相对均匀致密,禁带宽度有所增加,可见光范围内平均透过率最高达到90%,并且具有较好的导电性能.