新型透明導(dǎo)電ZnO∶Mo薄膜的制備
透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜由于具有高的可見(jiàn)光透射率和低的電阻率,在抗靜電涂層、觸摸顯示屏、太陽(yáng)能電池、平板顯示、發(fā)熱器、防結(jié)冰裝置、光學(xué)涂層以及透明光電子等方面具有廣闊的發(fā)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(dǎo)電薄膜的載流子濃度已經(jīng)達(dá)到115 ×1021cm-3,接近上限2×1021cm-3,因此通過(guò)進(jìn)一步提高載流子濃度來(lái)降低電阻率已經(jīng)很困難,并且很高的載流子濃度會(huì)嚴(yán)重影響到透明導(dǎo)電薄膜的光學(xué)性能。高價(jià)態(tài)元素(如Mo、W等) 的摻雜提供了解決這一問(wèn)題的一個(gè)新的途徑,即通過(guò)提高載流子遷移率而非載流子濃度來(lái)提高透明導(dǎo)電薄膜的電導(dǎo)率。孟揚(yáng)等首先采用反應(yīng)蒸發(fā)法,在350 ℃玻璃基板溫度下成功制備了高價(jià)態(tài)Mo摻雜的透明導(dǎo)電In2O3∶Mo(IMO) 薄膜: 其載流子遷移率達(dá)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(jiàn)光范圍內(nèi)的透射率均超過(guò)80%, 由此引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注 ;李喜峰等在In2O3 中摻雜高價(jià)態(tài)W 也取得性能良好的透明導(dǎo)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(jiàn)光范圍內(nèi)的透射率也都超過(guò)80%。
在In2O3基、SnO2基和ZnO基等透明導(dǎo)電薄膜中,制備技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是In2O3 基的ITO薄膜。但I(xiàn)TO薄膜價(jià)格昂貴,ZnO基透明導(dǎo)電薄膜的光電性能與In2O3基薄膜大致相當(dāng),而成本要低得多,因此近年來(lái)日益得到重視,具有很大的發(fā)展?jié)摿�。具體來(lái)說(shuō)ZnO基薄膜比In2O3基薄膜具有以下優(yōu)勢(shì):
(1) Zn蘊(yùn)藏豐富,價(jià)格比In,Sn 的價(jià)格低,任何制備In2O3 基薄膜的方法都可以用來(lái)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(huì)污染環(huán)境,還會(huì)對(duì)人體健康造成危害,而Zn是人體生長(zhǎng)所需的微量元素。
(3) 在氫等離子體等特殊場(chǎng)合,ZnO 基薄膜的性能比In2O3 基薄膜穩(wěn)定,適合于太陽(yáng)能電池應(yīng)用。
ZnO基透明導(dǎo)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(yáng)能薄膜電池上得到了應(yīng)用。然而更高價(jià)態(tài)元素的摻雜還未見(jiàn)報(bào)道。本文采用第VIB 族的高價(jià)態(tài)元素Mo 摻入ZnO薄膜,Mo元素最高價(jià)是+6, 與Zn2+ 離子的價(jià)差可達(dá)四價(jià),且在In2O3 基透明導(dǎo)電薄膜的研究中已取得了較好的效果。本實(shí)驗(yàn)采用可控性好、沉積速率高的反應(yīng)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(dǎo)電薄膜,并著重研究了Mo摻雜量和基片溫度等參數(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。
所使用的鍍膜設(shè)備是北京儀器廠的DM4502A型鍍膜機(jī),自制的磁控濺射器,采用直流磁控反應(yīng)濺射技術(shù)在玻璃基片上制備ZnO∶Mo(ZMO) 透明導(dǎo)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(yīng)室抽到壓強(qiáng)小于210 ×10 -2 Pa, 然后通過(guò)可變氣導(dǎo)閥將一定比例的Ar 和O2 氣充入反應(yīng)室,工作壓強(qiáng)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(jì)測(cè)量薄膜的透光率,并根據(jù)最優(yōu)化方法計(jì)算得到薄膜的厚度;用DB290 型四探針儀測(cè)量樣品的方塊電阻,計(jì)算得到薄膜的電阻率。在室溫下van2der2Pauw法測(cè)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(zhǎng)為011542nm ) 分析薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
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