低溫?zé)崽幚碇苽鋼戒X氧化鋅薄膜技術(shù)的研究

王鑫博，王 維，黃 特

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

低溫?zé)崽幚碇苽鋼戒X氧化鋅薄膜技術(shù)的研究

王鑫博，王 維，黃 特

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

使用溶膠-凝膠法在玻璃基底上制備摻鋁氧化鋅薄膜，研究熱處理溫度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、形貌、電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：使用低溫?zé)崽幚碇苽涞谋∧ぞ哂懈玫腃軸取向生長(zhǎng)，表面平整質(zhì)密，面阻最小達(dá)到1800Ω/□。

溶膠-凝膠;摻鋁氧化鋅;薄膜;低溫;熱處理

透明導(dǎo)電薄膜廣泛應(yīng)用于平板顯示器、薄膜太陽(yáng)能電池等各種光電器件上，摻鋁氧化鋅薄膜因其熱穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)引起人們廣泛關(guān)注。ZnO是II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，其離子性介于共價(jià)化合物與離子化合物之間,熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為纖鋅礦對(duì)稱型結(jié)構(gòu),室溫下帶隙寬度為3.37eV，在可見光區(qū)具有高透光率，室溫時(shí)具有較高激子束縛能(60Mev)[1-2]。李煥勇[3]等人利用超聲噴霧熱解法成功制備了不同鋁含量的AZO(摻鋁氧化鋅)薄膜，并研究了AZO薄膜中鋁摻雜量對(duì)薄膜光學(xué)、電學(xué)性能的影響。Agura[4]等人采用PLD法在玻璃襯底生長(zhǎng)1.8wt%Al摻雜的ZnO薄膜，最低電阻率為8.54×10-5Ω·cm,載流子濃度為1.5×1021cm-3。張?zhí)鞂歔5]等以異丙醇、乙二醇獨(dú)甲醚和乙二醇獨(dú)丁醚3種物質(zhì)為溶劑，利用溶膠-凝膠法[6]制備得到了AZO透明導(dǎo)電薄膜，研究發(fā)現(xiàn)溶劑對(duì)薄膜的厚度、晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)均有影響。溶膠-凝膠法由于工藝簡(jiǎn)便，可以在原子、分子水平上實(shí)現(xiàn)摻雜，是制備多組元氧化物薄膜的常用方法。溶膠-凝膠法中熱處理是十分重要的環(huán)節(jié)，對(duì)退火后成膜質(zhì)量有很大影響，此次實(shí)驗(yàn)用低于以往的熱處理溫度以期得到更高質(zhì)量的薄膜，完善制備工藝。以往制備氧化鋅薄膜實(shí)驗(yàn)中熱處理溫度均為150～200℃，處理時(shí)間為15～120min，本次實(shí)驗(yàn)將熱處理溫度調(diào)至110℃，延長(zhǎng)熱處理時(shí)間至4h，制備摻鋁氧化鋅薄膜，且與常規(guī)方法制備的薄膜作對(duì)比，研究薄膜形貌、結(jié)構(gòu)以及電學(xué)性質(zhì)的變化。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用藥品和儀器見表1和表2。

表1 實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)藥品

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 溶膠的制備

AZO薄膜的基底采用石英玻璃載玻片，分別用離子水、無(wú)水乙醇、丙酮進(jìn)行超聲清洗，洗凈的基底玻片放入烘干箱干燥。

將乙酸鋅溶解在適量的乙二醇甲醚中，然后在溶液中滴入適量的穩(wěn)定劑乙醇胺，在恒溫水浴鍋內(nèi)攪拌1h，溫度設(shè)定為60℃；再將氯化鋁放到溶液中攪拌，攪拌時(shí)間2h，最后將溶膠靜置陳化24h，配置出摻雜質(zhì)量濃度為4%的1mol/L溶膠。

1.2 鍍膜

用旋轉(zhuǎn)涂膜法在勻膠機(jī)上涂膜，然后分別用110℃、150℃和200℃的溫度進(jìn)行熱處理；用110℃熱處理溫度時(shí)，處理時(shí)間為4h；用150℃熱處理溫度時(shí)，處理時(shí)間為2h；用200℃熱處理溫度時(shí)，處理時(shí)間為15min。每張基片上涂膜12次，最后將涂好的薄膜在550℃下進(jìn)行退火。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理溫度對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的影響

圖1為取不同熱處理溫度時(shí)樣品的X射線衍射圖。

圖1 不同熱處理溫度樣品的XRD圖

由圖1可知，樣品都對(duì)應(yīng)一個(gè)衍射角在34.42°左右的強(qiáng)衍射峰，這表明制備出的AZO薄膜為(002)擇優(yōu)取向的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出垂直于襯底方向的c軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，且均出現(xiàn)了與ZnO(100)、(002)、(101)、(102)等晶面族對(duì)應(yīng)的衍射峰，表明所制備的薄膜為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO。鋁原子以替位式存在于ZnO晶格中，溶膠-凝膠法制備出的樣品，摻雜前后ZnO薄膜結(jié)構(gòu)沒有改變，都為(002)面擇優(yōu)取向的六方纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。衍射峰的強(qiáng)度隨熱處理溫度的減小而逐漸增強(qiáng)，且衍射峰變得尖銳。即薄膜的晶化程度隨熱處理溫度的減小而逐漸提高，晶粒更傾向于(002)方向取向生長(zhǎng)。

2.2 熱處理溫度對(duì)薄膜形貌的影響

圖2為樣品的掃描電鏡照片[7]。

由圖2可知，各個(gè)樣品的表面比較平整，晶體顆粒大小均勻、規(guī)則，緊密排列。由于熱處理溫度為150℃和200℃時(shí)，高于溶膠中主要溶劑乙二醇甲醚的沸點(diǎn)(124.5℃)，薄膜干燥過(guò)快，晶粒間空隙增多，不利于薄膜成長(zhǎng)；隨著熱處理溫度降低，晶體顆粒尺寸明顯變大，有利于規(guī)則生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)更致密，粗糙度下降，薄膜的表面也更平整。

圖2 不同熱處理溫度樣品的SEM圖

2.3 熱處理溫度對(duì)薄膜電學(xué)性能的影響

利用橢圓偏振測(cè)厚儀測(cè)量薄膜厚度后，用四探針測(cè)試儀測(cè)量薄膜電學(xué)性能，如表3所示。

表3 電學(xué)性能

從表3中可知，薄膜面阻隨熱處理溫度升高而增加，低溫?zé)崽幚頃r(shí)面阻有明顯下降，110℃熱處理時(shí)薄膜面阻最小。這是因?yàn)樵?00℃熱處理時(shí)，液體蒸發(fā)太快，薄膜形成質(zhì)量不高，晶粒有縫隙和裂縫，使薄膜面阻增大。在150℃熱處理時(shí)，液體蒸發(fā)速度有所減緩，但仍較快，晶粒間隙依然很多。110℃低溫?zé)崽幚頃r(shí)，液體蒸發(fā)緩慢，薄膜形成緩慢有序，結(jié)晶度提高，薄膜表面平整質(zhì)密，面阻降低。

3 結(jié)論

用低溫?zé)崽幚矸椒ㄖ苽涞谋∧さ难苌浞鍙?qiáng)度比常規(guī)熱處理的薄膜衍射峰強(qiáng)度更強(qiáng)、結(jié)晶度更高、具有較好的擇優(yōu)取向生長(zhǎng)；薄膜晶粒尺寸明顯變大，使晶?？障稖p少，表面更加平整質(zhì)密，薄膜電學(xué)性能有一定提高(面阻達(dá)到1800Ω/□)。

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[5]張?zhí)鞂?，李金?溶劑對(duì)溶劑-凝膠法制備的摻鋁氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜性質(zhì)的影響[J].光譜實(shí)驗(yàn)室，2009,29(5):1159-1162.

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[7]郭素枝.掃描電鏡技術(shù)及其應(yīng)用[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2006：30-38.

StudyonLowTemperatureThermalTreatmentPreparationTechnologyofAluminumDopedZincOxideThinFilms

WANG Xinbo,WANG Wei,HUANG Te

(School of Science，Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China)

Using sol-gel method Al doped zinc oxide thin films is prepared on glass substrate.The influence of heat treatment temperature on thin film structure,pattern,electricity function is studied.The results show that:The films prepared by low temperature themal treatment have better growth ofCaxis orientation,smooth and dense surface and the minimum of surface resistance reached 1800Ω/□.

sol-gel;aluminum doped zinc oxide;thin film;low temperature;heat treatment

2013-09-26

王鑫博(1988—)，男， 碩士研究生；通訊作者：王維(1957—)，男，教授，博士，研究方向：光電技術(shù)與光電材料.

1003-1251(2014)01-0063-03

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趙麗琴)