用直流磁控濺射法在玻璃襯底上成功制備出了鈦鎵共摻雜氧化鋅(GZO:Ti)透明導(dǎo)電薄膜,研究了濺射壓強(qiáng)和功率對(duì)GZO:Ti薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。研究結(jié)果表明,所制備的GZO:Ti薄膜為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的多晶薄膜,且具有c軸擇優(yōu)取向。濺射壓強(qiáng)和功率對(duì)薄膜的電阻率和微觀結(jié)構(gòu)均有顯著影響。隨功率增大,薄膜電阻率降低,生長(zhǎng)率增大。所制備的薄膜的最小電阻率為1.81×10-4Ω·cm,可見光區(qū)平均透過(guò)率大于84%。

　　關(guān)鍵詞：GZO:Ti薄膜;透明導(dǎo)電薄膜;濺射壓強(qiáng);濺射功率;磁控濺射

　　摻錫氧化銦透明導(dǎo)電薄膜(ITO) 在光電池和液晶顯示等方面已得到了廣泛的應(yīng)用。由于銦屬貴金屬, 自然界儲(chǔ)量少, 產(chǎn)品成本高, 且有毒, 一些研究者已把研究方向轉(zhuǎn)向其它材料。氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜以其原料豐富、性能優(yōu)越、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn), 引起研究者關(guān)注。為了提高ZnO 薄膜的光電性能, 或改善薄膜在酸堿環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性, 在氧化鋅中單元素地?fù)诫s, 如Al, Zr, Ti, Ga 等, 或Zr-Al, T-i Ga, A-l Mn等兩種雜質(zhì)共摻, 已越來(lái)越引起人們的研究興趣[1-9] 。文獻(xiàn)[8] 介紹了鈦和鎵的摻雜量各占最佳摻雜量的一半時(shí)的共摻雜情況, 其最小電阻率為2118 @ 10- 4 8#cm。本實(shí)驗(yàn)中鎵的摻雜量3% 為最佳摻雜量[ 6] , 鈦的摻雜量?jī)H占015%, 目的是通過(guò)摻微量的鈦來(lái)改善摻鎵氧化鋅( GZO) 的性能, 獲得光電性能優(yōu)良的鈦鎵共摻雜氧化鋅( GZOBTi ) 透明導(dǎo)電薄膜。

　　制備透明導(dǎo)電薄膜的方法很多, 其中磁控濺射法是目前工業(yè)上應(yīng)用較廣的一種鍍膜方法。在沉積條件不變的情況下, 濺射壓強(qiáng)或功率的改變會(huì)影響薄膜的厚度、結(jié)晶質(zhì)量, 從而影響了薄膜的結(jié)構(gòu)、光電性能。本文采用直流磁控濺射法在玻璃襯底上低溫制備出了GZOBTi 透明導(dǎo)電薄膜。討論了濺射壓強(qiáng)和功率對(duì)GZOBTi 薄膜結(jié)構(gòu)、表面形貌、光電性能的影響。實(shí)驗(yàn)所獲得GZOBTi 薄膜樣品的最小電阻率為1181 @ 10- 4 8#cm, 在可見光區(qū)范圍( 400~760 nm) 內(nèi)平均透過(guò)率大于84% , 具有良好的光電性能。

GZOBTi 薄膜的制備

　　實(shí)驗(yàn)采用JGP500C2 型高真空多層膜磁控濺射系統(tǒng)在室溫水冷玻璃襯底上制備GZOBTi 薄膜。所用陶瓷靶材是從合肥科晶材料技術(shù)有限公司訂購(gòu),由純度為99199% 的ZnO, Ga2O3 和TiO2 粉末經(jīng)高溫?zé)�結(jié)而成, 其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9615% , 310%, 015% 。系統(tǒng)的本底真空度為510 @ 10- 4 Pa, 沉積時(shí)間為30min, 基片與靶材的距離為60 mm。濺射所采用的氣體為991999% 的高純氬氣, 濺射鍍膜時(shí)氬氣流量為30 cm3/min。為了研究濺射壓強(qiáng)和功率對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、性能的影響, 濺射時(shí)功率分別定為80 和60 W,濺射壓強(qiáng)從119 Pa 增加到915 Pa, 制備了10 個(gè)不同的薄膜樣品。薄膜大小約25 mm @ 50 mm, 比較均勻, 膜厚為116~ 374 nm。襯底為普通玻璃, 在放入濺射室之前先后經(jīng)過(guò)丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水超聲清洗, 再經(jīng)紅外干燥后裝入濺射室。

樣品測(cè)試

　　用SDY-4 型四探針測(cè)試儀室溫下測(cè)量薄膜的方塊電阻R, 用SGC-10 型薄膜測(cè)厚儀( 測(cè)量精度< 1nm) 測(cè)量薄膜的厚度d , 薄膜的電阻率根據(jù)公式Q=Rd 計(jì)算得到, 用TU-1901 型雙光束紫外可見分光光度計(jì)測(cè)量薄膜的光學(xué)透過(guò)率( 測(cè)量范圍260~ 900nm) , 用FEI Sirion 200 型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察薄膜的表面形貌, 用D8 ADVANCE 型X射線衍射(XRD ) 儀( CuKA1 靶, 射線源波長(zhǎng)為0115406 nm) 測(cè)試薄膜的衍射譜。

　　采用直流磁控濺射法在玻璃襯底上低溫制備出了GZOBTi 透明導(dǎo)電薄膜。研究結(jié)果表明: 所制備的GZOBTi 薄膜為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu), 濺射壓強(qiáng)和功率對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、光電性能均有很大影響。當(dāng)濺射壓強(qiáng)為715 Pa , 功率為80 W 時(shí), GZOBTi 薄膜的電阻率具有最小值1181 @ 10- 4 8#cm, 可見光區(qū)平均透過(guò)率大于84%, 具有良好的光電性能。GZOBTi 透明導(dǎo)電薄膜因其具有較高的可見光透過(guò)率和較低的電阻率, 在液晶顯示器、薄膜太陽(yáng)能電池等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　Abstract: The Ga-Ti co-doped zinc oxide(GZO∶Ti) films were deposited by DC magnetron sputtering on glass substrates.The impacts of the growth conditions on microstructures and properties were evaluated.The GZO∶Ti films were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy and conventional probes.The results show that the sputtering power and pressure strongly affect the microstructures and resistivity of the hexagonal wurtzite-phased polycrystalline films with a preferential orientation in c-axis.For example,as the sputtering power and deposition rate increased,its resistivity decreased.The lowest resistivity of the GZO∶Ti film,grown under the optimized conditions,was found to be 1.81×10-4 Ω·cm,with an average transmittance of above 84% in the visible range.

　　Keywords: GZO∶Ti films,Transparent conducting films,Sputtering pressure,Sputtering power,Magnetron sputtering

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