新型透明導電ZnO∶Mo薄膜的制備
透明導電氧化物(TCO)薄膜由于具有高的可見光透射率和低的電阻率,在抗靜電涂層、觸摸顯示屏、太陽能電池、平板顯示、發熱器、防結冰裝置、光學涂層以及透明光電子等方面具有廣闊的發展前景,其中的代表性TCO薄膜是In2O3∶Sn(ITO)、SnO2∶F和ZnO∶Al(ZAO)薄膜,都具有良好的光電性能。然而目前的透明導電薄膜的載流子濃度已經達到115 ×1021cm-3,接近上限2×1021cm-3,因此通過進一步提高載流子濃度來降低電阻率已經很困難,并且很高的載流子濃度會嚴重影響到透明導電薄膜的光學性能。高價態元素(如Mo、W等) 的摻雜提供了解決這一問題的一個新的途徑,即通過提高載流子遷移率而非載流子濃度來提高透明導電薄膜的電導率。孟揚等首先采用反應蒸發法,在350 ℃玻璃基板溫度下成功制備了高價態Mo摻雜的透明導電In2O3∶Mo(IMO) 薄膜: 其載流子遷移率達130cm2V-1 s -1 ,而載流子濃度僅315 ×1020 cm-3 ,電阻率為211 ×10-4Ω·cm, 并且在可見光范圍內的透射率均超過80%, 由此引起了國內外的廣泛關注 ;李喜峰等在In2O3 中摻雜高價態W 也取得性能良好的透明導電In2O3∶W(IWO) 薄膜,其電阻率低至217 ×10 -4 Ω·cm, 載流子的遷移率高于57cm 2V-1s -1 ,薄膜在可見光范圍內的透射率也都超過80%。
在In2O3基、SnO2基和ZnO基等透明導電薄膜中,制備技術成熟、性能穩定、在工業上廣泛應用的是In2O3 基的ITO薄膜。但ITO薄膜價格昂貴,ZnO基透明導電薄膜的光電性能與In2O3基薄膜大致相當,而成本要低得多,因此近年來日益得到重視,具有很大的發展潛力。具體來說ZnO基薄膜比In2O3基薄膜具有以下優勢:
(1) Zn蘊藏豐富,價格比In,Sn 的價格低,任何制備In2O3 基薄膜的方法都可以用來制備ZnO基薄膜,因此ZnO基薄膜的制備成本要低于In2O3基薄膜。
(2) In有毒,不但會污染環境,還會對人體健康造成危害,而Zn是人體生長所需的微量元素。
(3) 在氫等離子體等特殊場合,ZnO 基薄膜的性能比In2O3 基薄膜穩定,適合于太陽能電池應用。
ZnO基透明導電薄膜可以摻雜B、Al、Ga、In、Sc、Y等III 族元素,以及Si、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf等IV族元素,還可以摻F- 替代O2- ,其中ZnO∶Al 薄膜得到廣泛和深入的研究,已在平板顯示和太陽能薄膜電池上得到了應用。然而更高價態元素的摻雜還未見報道。本文采用第VIB 族的高價態元素Mo 摻入ZnO薄膜,Mo元素最高價是+6, 與Zn2+ 離子的價差可達四價,且在In2O3 基透明導電薄膜的研究中已取得了較好的效果。本實驗采用可控性好、沉積速率高的反應直流磁控濺射法,在Zn 中鑲嵌Mo制作濺射靶,在Ar 和O2 氣氛中于普通玻璃上沉積ZnO∶Mo透明導電薄膜,并著重研究了Mo摻雜量和基片溫度等參數對其結構和光電性能的影響。
所使用的鍍膜設備是北京儀器廠的DM4502A型鍍膜機,自制的磁控濺射器,采用直流磁控反應濺射技術在玻璃基片上制備ZnO∶Mo(ZMO) 透明導電薄膜。靶是自制的金屬Zn 和Mo的鑲嵌靶,直徑為60mm, 厚度為3mm, 與基板距離65mm 。沉積薄膜前,先將反應室抽到壓強小于210 ×10 -2 Pa, 然后通過可變氣導閥將一定比例的Ar 和O2 氣充入反應室,工作壓強為210Pa, 基板溫度維持在100 ℃～350 ℃之間。
用島津UV2450 型UV/VIS 分光光度計測量薄膜的透光率,并根據最優化方法計算得到薄膜的厚度;用DB290 型四探針儀測量樣品的方塊電阻,計算得到薄膜的電阻率。在室溫下van2der2Pauw法測量薄膜的霍耳遷移率,并得到薄膜的載流子遷移率和載流子濃度;用PhilipsPW1710X 射線衍射儀(Cukα 靶,30kV,20mA, 射線源波長為011542nm ) 分析薄膜的晶態結構。
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