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掺铟二氧化锡薄膜(ITO)的制备及其性质研究

宣鑫科  
【摘要】: 二氧化锡(SnO2)作为一种典型的n型且有较宽的直接带系的宽禁带金属氧化物半导体材料(Eg=3.6eV),具有稳定的物理化学性质,例如较好的导电性能、光学性能、热稳定性和抗腐蚀性,因此SnO2已被广泛应用于气敏半导体材料、太阳能电池、化学电极、透明导电薄膜等很多领域。因为纯二氧化锡薄膜的电阻率较高,其载流子浓度由氧空位决定,而且难以控制,所以一般都通过用掺杂的方法来降低薄膜的电阻率并使其能够保持良好的光透射率。同时研究也表明,如果在二氧化锡中掺杂一些金属,例如铟、铝等,就可以形成较好的透明薄膜。这些基于二氧化锡的透明薄膜具有良好的光学特性和电学特性,而且有着较好的安全性,并可用于对一些有害气体的监测,是一种价格低廉、性能优良的氧化物半导体薄膜材料。 当前国内外热衷于研究各种不同掺杂物的二氧化锡的性能,例如掺铟的二氧化锡,即所谓的ITO,是目前国内外电子应用中一种非常有用的且比较热门的半导体氧化物材料。ITO有着良好的吸附性,因此在气敏传感器方面占据了越来越重要的地位。目前制备ITO薄膜的方法很多,主要包括:溅射法、蒸发法等,但这些方法需要大型设备的支持,而且价格比较昂贵。本文采用溶胶凝胶法即sol-gel法制备ITO薄膜,并在材料中掺杂了PEG添加剂(聚乙二醇),添加PEG的作用是改善薄膜的表面性能。因为PEG能够在低温时改变材料的性能,在适当条件下对薄膜进行热退火,就可以形成很好的表面结构。该方法简单,成本低廉,各项性能优越。本论文的主要内容如下: (1)以无水InCl3,SnCl4无机盐和乙酰丙酮,无水乙醇为原料,采用溶胶-凝胶旋涂法,在硅晶片上通过掺杂不同浓度的In制备了高质量的ITO薄膜。此外本文探讨了浓度不同和分子量不同的PEG添加剂对ITO薄膜的影响;并讨论了退火温度,退火时间等对ITO薄膜的影响。我们采用X射线(XRD),扫描电子显微镜(SEM),紫外可见光谱仪等微观分析技术对样品进行了微结构和成分分析,研究表明,PEG的引入带来的好处包括:可以形成多孔薄膜,改善表面平整度,降低薄膜的方块电阻等。 (2)采用氩等离子室温下退火代替传统的热退火法来形成ITO薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM),红外分析仪(FTIR),场发射枪扫描电子显微镜(FEGSEM)来探讨等离子体参数对薄膜的表面特性以及纳米结构的影响,例如:等离子体的功率以及作用于薄膜的处理时间。结果表明,采用室温下氩等离子体退火能够形成性能较好的ITO薄膜。 (3)探讨了退火氛围对ITO薄膜的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)来研究退火氛围对ITO薄膜表面结构的影响,通过SZT-2四探针测试仪来研究退火氛围对薄膜电阻率的影响。结果表明,退火环境中的含氧量越高,薄膜表面结构越差,其电阻率也越大。 采用掺杂PEG的ITO薄膜具有多孔结构,该结构能够让ITO薄膜成为一种气敏材料。


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