收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

新型SnO_2基透明导电薄膜及其二极管的研究

黄延伟  
【摘要】: 透明导电氧化物薄膜(TCO)既具有优良的金属导电性,又具有可见光范围的高透明性,已经成为平板显示器、太阳能电池和透明电子器件中不可或缺的材料。其中ITO(In2O3:Sn)薄膜是目前市场上应用最为广泛的TCO薄膜,随着太阳能电池和平板显示产业的不断发展,铟资源短缺和价格高昂的问题越发突出,寻求ITO替代材料的需求日益加大;目前应用于太阳能电池的透明窗口电极材料大多为近红外高反射TCO薄膜,这就阻止了对占太阳能总能量52%的近红外区域能量的有效且充分的利用;透明电子学的出现对TCO薄膜材料和透明氧化物半导体(TOS)薄膜材料提出了更高的要求,需要光学和电学性能优良的新型TCO和TOS薄膜。 针对这些问题和需求,本论文研究开发了新型非晶和多晶掺钨氧化锡(SnO2:W)透明导电薄膜,系统研究了其电学和光学性能及其与脉冲等离子体沉积技术(pulsed plasma deposition, PPD)各种制备参数之间的关系;确立了制备优良光学和电学性能的SnO2:W薄膜的条件;采用更具生产性的sol-gel法研制了SnO2:W薄膜,薄膜不仅表面平整,而且光学透明性得到了很大提高,揭示了其在太阳能电池领域具有潜在的应用价值,同时提出了溶胶配制过程中可能的反应机理;采用第一性原理对SnO2:W进行了理论计算,阐明了W掺杂SnO2:W薄膜具有优良电学性能的机制;研究开发了p型导电NiO:Li透明氧化物半导体薄膜,探索性研制了NiO:Li/SnO2:W透明二极管,揭示了SnO2:W薄膜应用于透明电子器件的可能性。本文利用多种表征手段(如XRD、AFM、XPS、SEM、EDS. IR、Raman、台阶仪、Hall效应测试等)对所有制备的薄膜进行了详尽细致的分析和探讨,研究结果表明: 在采用PPD法制备薄膜的过程中,先是采用氧氩共掺气体,在较低温度下制备了非晶SnO2:W薄膜,研究了钨掺杂含量和氧分压对薄膜电学和光学性能等的影响,薄膜的最低电阻率达到2.1×10-3 ohm·cm,对应的载流子浓度和载流子迁移率分别为9.6×1019cm-3和30 cm2V-1s-1,可见光区的平均透射率超过80%,薄膜的方均根粗糙度和平均粗糙度分别为15.7 nm和1 1.9 nm。 为进一步降低薄膜的电阻率,采用PPD法室温下在纯氩气体中沉积出SnO2:W薄膜,后经退火处理,薄膜的电学和光学性质均得到明显提高,最低电阻率可达6.7×10-4 ohm·cm,对应载流子浓度和载流子迁移率分别为1.44×1020cm-3和65 cm2V-1s-1,薄膜在可见光和近红外区的透射率分别为86%和85%,研究了钨掺杂含量和退火温度对薄膜电学性能、光学性能、结构和表面粗糙度的影响,并通过分析薄膜中各元素的化合价态讨论了薄膜的导电机理。 在SnO2:W薄膜中,W原子替代了SnO2晶格中的Sn原子的位置,没有新的化合物相生成,也没有改变SnO2的金红石结构。w在薄膜中以W6+形式存在,W替代Sn位置贡献了两个自由电子,这是薄膜导电性增加的主要原因,而ITO薄膜中Sn取代In位置只多出一个电子,所以SnO2:W薄膜中W作为掺杂剂的效率较高。即要得到相同载流子浓度的薄膜,SnO2:W中掺W所需的掺杂量比SnO2:Sb, In2O3:Sn或ZnO:Al(其价态差仅为1)等中的掺杂量都更少,这使得引入的离子杂质缺陷减少,载流子散射中心减少,有利于提高薄膜的载流子迁移率。 采用sol-gel法,以SnCl2·2H2O和WCl6为先驱物,经过溶胶配制、浸渍提拉、干燥退火等步骤在石英衬底上制备了大面积均匀导电的SnO2:W透明导电薄膜,薄膜最低电阻率为5.8×10-3 ohm·cm,对应载流子浓度和载流子迁移率分别为7.6×1019 cm-3和14.2 cm2V-1s-1,尽管薄膜的电学性质有待于进一步提高,但sol-gel法相对于PPD法具有设备廉价、成膜厚度均匀等的优点,且薄膜在可见光和近红外区的光学透射率达到90%,薄膜的平均粗糙度约为1.8 nm。 对于sol-gel制备的薄膜,随着钨掺杂含量的增加,薄膜的XRD衍射峰强度变弱,甚至变宽,当掺杂含量较大时,薄膜中出现微小的非晶颗粒,这使得薄膜的粗糙度减小,在W掺杂含量分别为0,1,3,5 at.%时,薄膜的平均粗糙度分别为1.92 nm,1.87 nm,1.82 nm,1.61 mm。同时也说明采用sol-gel法制备薄膜的过程中,掺杂含量较高使薄膜的结晶性变差。 SnO2:W透明导电薄膜的第一性原理计算结果表明,未掺杂的SnO2的价带顶主要源于O的2p态的贡献,导带底主要源于Sn的5s态的贡献;掺杂后SnO2:W的导带底主要源于掺杂原子W的5d态的贡献;W是提高SnO2导电性有利的掺杂元素。 以固态反应法制备了p型导电性较好的掺锂氧化镍靶材,采用PPD技术在玻璃衬底上沉积了p型透明导电NiO:Li薄膜,薄膜电导率可达15 S.cm-1,载流子浓度变化范围为2.98×1020 cm-3-2.1×1020 cm-3,迁移率变化范围为0.3-0.422, 一般文献报道的p型导电薄膜的载流子浓度的为1018 cm-3、1019cm-3量级甚至更低,可见此法制备的p型NiO:Li薄膜的导电性较好。 本文基于前述实验结果探索性地将n型SnO2:W薄膜和p型NiO:Li薄膜结合起来制备透明电子器件中最基本的器件——透明二极管NiO:Li/SnO2:W。介绍了实验室条件下采用PPD法制备具有良好整流特性的透明二极管的方法和步骤,通过研究单层膜的导电性来比较分析二极管的伏安特性,并给出所制备器件的透明性。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 陈兆权;刘明海;刘玉萍;陈伟;罗志清;胡希伟;;PECVD制备AZO(ZnO:Al)透明导电薄膜[J];物理学报;2009年06期
2 ;薄膜光学 薄膜光学理论与膜系设计[J];中国光学与应用光学文摘;2006年05期
3 朱锋,薛玉明,孙建,赵颖,耿新华;绒面ZnO透明导电薄膜[J];人工晶体学报;2004年03期
4 伞海生,李斌,冯博学,何毓阳,陈冲;由缺陷引起的Burstein-Moss和带隙收缩效应对CdIn_2O_4透明导电薄膜光带隙的影响[J];物理学报;2005年02期
5 闫军锋;张志勇;邓周虎;赵武;王雪文;;SnO_2∶(Sb,In)透明导电薄膜的制备及其性能研究[J];华中科技大学学报(自然科学版);2007年S1期
6 陈乐;刘亲壮;王海峰;高关胤;吴文彬;;钙钛矿型氧化物透明导电薄膜La:SrTiO_3的制备、结构与物性研究[J];低温物理学报;2009年02期
7 刘汉法;张化福;类成新;袁玉珍;袁长坤;;利用射频磁控溅射法在柔性衬底上制备ZnO:Zr透明导电薄膜(英文)[J];液晶与显示;2009年02期
8 张化福;类成新;刘汉法;袁长坤;;利用直流磁控溅射法在柔性衬底上制备ZnO:Zr新型透明导电薄膜(英文)[J];人工晶体学报;2009年03期
9 宋春燕;刘星元;;基于ZnSe/Ag/ZnSe可见区透明导电薄膜[J];光子学报;2011年06期
10 刘汉法;张化福;袁玉珍;袁长坤;类成新;;直流磁控溅射法低温制备ZnO:Ti透明导电薄膜及特性研究[J];液晶与显示;2009年06期
11 别勋;王钰萍;吕建国;叶志镇;;透明导电GZO/Cu/GZO多层薄膜的室温生长及性能研究[J];西安理工大学学报;2011年02期
12 张凤;脉冲激光沉积工艺[J];真空电子技术;1998年03期
13 ;薄膜材料与器件[J];中国光学与应用光学文摘;2001年06期
14 张亚萍;殷海荣;黄剑锋;李启甲;;透明导电薄膜的研究进展[J];光机电信息;2006年02期
15 高善民;周升旺;张江;于忠玺;;ZnO∶Al透明导电薄膜的制备与性能研究[J];鲁东大学学报(自然科学版);2006年03期
16 张化福;类成新;刘汉法;袁长坤;;透明导电薄膜ZnO∶Zr的制备及特性研究[J];液晶与显示;2009年01期
17 周继承;李莉;;溅射气压对ZnO透明导电薄膜光电性能的影响[J];中国有色金属学报;2009年07期
18 刘汉法;张化福;袁玉珍;袁长坤;类成新;;溅射功率对PET衬底上ZnO:Zr薄膜性能的影响[J];电子元件与材料;2009年09期
19 刘汉法;袁玉珍;张化福;袁长坤;;溅射压强对低阻高透过率掺钛氧化锌透明导电薄膜的影响[J];人工晶体学报;2010年01期
20 史晓菲;郭美霞;刘汉法;王新峰;;溅射功率对直流磁控溅射法沉积TGZO薄膜性能的影响[J];人工晶体学报;2010年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王杰;梁明会;邱腾飞;方岩;罗彬;王斌;张锦;智林杰;;柔性基底上直接制备石墨烯透明导电薄膜的研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
2 方昭訓;駱煒翔;徐嘉禧;楊仁傑;蔡定侃;;化学溶液法制备ZnMno透明导电薄膜之特性[A];中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集[C];2010年
3 王明松;;Al掺杂ZnO透明导电薄膜的溶胶凝胶法制备[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 滕繁;刘涌;宋晨路;韩高荣;;新型TiO_2基透明导电薄膜研究进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
5 刘锴;冯辰;刘亮;张玉莹;孙颖慧;李群庆;范守善;姜开利;;超顺排碳纳米管透明导电薄膜及其在触摸屏面板上的应用[A];第二届中国科学院博士后学术年会暨高新技术前沿与发展学术会议程序册[C];2010年
6 战可涛;曾凡强;;铝镧共掺ZnO透明导电薄膜的微观结构和光电性能研究[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
7 陈建毅;黄丽平;张宏亮;魏大程;于贵;刘云圻;;基于大尺寸氧化石墨烯组装自支撑透明导电薄膜[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年
8 王颖华;张群;李桂锋;;P型掺锌硫化铜铝透明导电薄膜的制备和性能研究[A];TFC'07全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2007年
9 张晓锋;颜悦;望咏林;温培刚;伍建华;;透明导电银合金薄膜抗湿热氧化性研究[A];TFC’09全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2009年
10 纪建超;颜悦;沈玫;张崇智;;透明导电薄膜涂层系统的研究[A];2005'全国真空冶金与表面工程学术会议论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 宋春燕;新型无铟透明导电薄膜的设计研制及其应用[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2011年
2 黄延伟;新型SnO_2基透明导电薄膜及其二极管的研究[D];复旦大学;2010年
3 韦莉;有机—无机杂化透明导电薄膜的制备及性能研究[D];华东理工大学;2010年
4 赵金博;Al掺杂ZnO透明导电薄膜的液相法制备及其光电性能研究[D];山东大学;2011年
5 王晓晶;柔性基ZnO:Al透明导电薄膜材料的制备与性能研究[D];华中科技大学;2011年
6 李钢贤(Ri Kang Hyon);AZO透明导电薄膜载流子输运机制及特性研究[D];华中科技大学;2011年
7 李保家;FTO透明导电薄膜表面处理及其复合膜的研究[D];江苏大学;2012年
8 王延峰;可高效利用太阳光谱的ZnO透明导电薄膜研究[D];南开大学;2013年
9 吕茂水;溅射法制备掺锆氧化锌透明导电薄膜与薄膜特性研究[D];山东大学;2007年
10 吴炳俊;自由基辅助磁控溅射制备ZnO:Al透明导电薄膜的研究[D];中国科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 韩林兵;ZnO@SnO_2包覆结构透明导电薄膜的制备及其发光性能研究[D];西北大学;2010年
2 蒋志昂;磁控溅射制备ZnO透明导电薄膜的研究[D];兰州大学;2010年
3 谢存存;石墨烯的液相制备及其透明导电薄膜的研究[D];南京理工大学;2010年
4 龙涛;ZAO透明导电薄膜的制备与性能[D];西南交通大学;2004年
5 孙惠娜;溶胶—凝胶法制备ZnO:Sn(TZO)透明导电薄膜及其性能研究[D];兰州大学;2010年
6 葛春桥;溶胶—凝胶法制备AZO透明导电薄膜的研究[D];武汉理工大学;2005年
7 辛艳青;氧化锌掺钇透明导电膜的制备及特性研究[D];山东大学;2010年
8 于平坤;ZnO:Al透明导电薄膜的制备及性能研究[D];山东建筑大学;2011年
9 徐艺滨;ZnO:Al薄膜的制备与特性研究[D];大连理工大学;2006年
10 周科;Ga掺杂ZnO透明导电薄膜的制备与光电性能研究[D];重庆大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前5条
1 肖化;帝人化学进军电子纸张市场[N];中国化工报;2010年
2 记者 徐德昭 实习生 张晓茵;东莞两企业中标“粤港”项目[N];东莞日报;2009年
3 中色(宁夏)东方集团有限公司 张红梅 孙本双 刘孝宁;ITO靶材向大尺寸高密度方向发展[N];中国电子报;2009年
4 吴勇 瞿金霞 吴高毅;正泰太阳能二代薄膜实现量产[N];温州日报;2009年
5 记者 江怡曼;金路集团:1500万元投石问路 或成石墨烯概念新龙头[N];第一财经日报;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978