金電極的制備和特性研究

趙小靜,丁文玉,王海英

（1.河南科技學院,河南新鄉(xiāng)453003；2.鶴壁市機電信息工程學校,河南鶴壁458000）

半導(dǎo)體薄膜電極因為透光性高、電阻率小等優(yōu)點,在平面顯示器、太陽能電池、紅外反射膜以及光波選擇器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3].目前薄膜材料常用的有In2O3：Sn（ITO）、ZnO：Al等,但這些都屬于半導(dǎo)體材料,導(dǎo)電性相對金屬較差,主要通過對高純半導(dǎo)體材料進行摻雜來實現(xiàn)導(dǎo)電功能,制備工藝復(fù)雜、制備過程污染嚴重、載流子濃度不容易控制.同時,半導(dǎo)體材料屬于負溫度系數(shù)材料,它的導(dǎo)電性隨著溫度的降低而變差,會導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的薄膜電極在低溫測試系統(tǒng)和嚴寒地區(qū)的應(yīng)用受到限制.為了尋找理想的材料,導(dǎo)電聚合物[4]、碳納米管薄膜[5]、金屬納米線[6]和金屬薄膜[7]等材料都被用作薄膜電極使用.

功函數(shù)為5.3 eV的金作為金屬材料用來制備薄膜電極,不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性,而且具有較高的可見光透光性.在高溫下金的穩(wěn)定性非常好,不容易被氧化,大大拓寬了金薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域.同時,金屬于正溫度系數(shù)的材料,導(dǎo)電性隨著溫度的降低變得更好,這使金薄膜電極在低溫物性測量系統(tǒng)和嚴寒地區(qū)顯示出氧化物薄膜電極無可比擬的特性.本文采用離子濺射法制備金薄膜電極,通過改變薄膜的厚度,研究金薄膜的形貌和光譜性能.

1 試驗方法

試驗中所用薄膜采用離子濺射方法制備.鍍膜前將載玻片分別用丙酮、乙醇在超聲波振清洗器中清洗 10 min,Ⅲ號清洗液 V（H2O2）∶V（H2SO4）=1∶3 加熱煮沸 10 min,清洗過的基片放置在培養(yǎng)皿中自然晾干.采用JGP560型磁控離子濺射儀鍍膜,之后將部分樣品放置在小型高真空退火爐中抽至背底真空10-2Pa左右,加熱至150℃進行退火處理.制備的薄膜厚度采用DEKtak150臺階儀進行膜厚測量；采用Keithley 2400型萬用表進行電學特性測量；用UV3600型分光光度計對薄膜的光學性能進行分析.

2 結(jié)果與討論

圖1為退火前不同厚度金薄膜樣品的透過率曲線.

圖1 退火前金薄膜的透射光譜Fig.1 The transmissivity of Au film dependence of wave length before annealed in the vacuum furnace

由圖1可知,當波長大于300 nm后,薄膜的透射率明顯增大,在可見光區(qū),金薄膜的透過率受厚度影響大,隨著厚度的增加,透過率明顯減小.薄膜在厚度為10 nm和20 nm的透過率高.在紅外區(qū),透過率均在65%以上,當厚度大于20 nm時,薄膜的透過率變化不大,說明厚度不再是影響透過率的主要因素.

圖2為退火后不同厚度的薄膜的透射光譜.

從圖2中可以看出,退火后5種樣品的透射率比退火前的透射率大幅提高,在可見光區(qū),厚度為10 nm和20 nm的透過率高達60%以上,透光性好.

圖3、圖4為退火前后金薄膜的線電阻率隨厚度變化的曲線.

圖3 退火前金薄膜的線電阻率隨薄膜厚度變化曲線Fig.3 The line resistivity of Au dependence of thickness before annealed

圖4 退火后金薄膜的線電阻率隨薄膜厚度變化曲線Fig.4 The line resistivity of Au dependence of thickness after annealed

對比圖3、圖4可知,退火前后,金薄膜的線電阻率都非常低,導(dǎo)電性好.從圖中還可看出,隨著薄膜厚度的增加,線電阻率先急劇降低然后增加,當厚度超過20 nm后,電阻率變化很小.在20 nm時,電阻率有一個最小值.薄膜厚度為10 nm左右時,電阻率非常大.原因分析：當薄膜比較薄時,金納米顆粒主要呈島狀分布,顆粒分布不夠均勻,退火前金納米顆粒形狀不規(guī)則,雜亂無章,部分顆粒相互間接觸,形成了導(dǎo)電通路.另一部分顆粒間距離較近,根據(jù)量子力學中的遂穿效應(yīng)和尖端放電效應(yīng)[8],當外界有偏壓時,形成了遂穿電流,使薄膜具有導(dǎo)電性.由于相互接觸的顆粒少,所以電流較小,線電阻率比較大.退火后,金納米顆粒變成規(guī)則的球形[9],排列整齊,顆粒相互間距離變大,不再出現(xiàn)遂穿效應(yīng)和尖端放電效應(yīng),所以,退火后薄膜的線電阻率趨于無窮大.當薄膜厚度增加時,金納米顆粒數(shù)量增多,粒子間距離減小,能夠相互接觸形成電流,線電阻率隨之減小.隨著厚度的增加,粒子間數(shù)量的增加,粒子間接觸緊密,電阻率也越來越小,當薄膜厚度增加到一定值時,電阻率趨于平穩(wěn).

綜上所述,比較金薄膜的光學性能和電學性能,當薄膜厚度為20 nm左右時,透光性好,線電阻率低,比較適合作透明薄膜電極.

3 小結(jié)

本文采用離子濺射法制備金薄膜,研究了不同厚度的薄膜的光學和電學性能,得出金薄膜在厚度為20 nm時,性能最優(yōu)越.與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體透明電極相比,金薄膜的透光性好,導(dǎo)電性優(yōu)良,尤其在低溫環(huán)境里,金薄膜的電阻率低,工作性能穩(wěn)定.同時,相對于PLD,磁控濺射和熱蒸發(fā)制備薄膜電極,耗時短,工藝簡單.

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