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ZnO薄膜的掺杂Al性能研究
ZnO薄膜是一种具有广泛应用前景的材料,国际上也涌现出许多以ZnO为研究重点的科研小组,开展了许多相关的科研工作。ZnO薄膜由于量子空间局域作用使得大量电子被束缚在晶界处,表现出很强的界面效应,使其比体材料及其它金属氧化物材料有更高的导电率,透明性和传输率。氧化锌薄膜作为一种优异的光电和压电相结合的电子信息材料,它在压电转换,光电显示以及集成电子器件等方面有广泛的应用。拥有优良的压电特性,一直在SAW器件中的到应用。此外还可用作紫外光探测器,发光器件,传感器件,太阳能电池的透明电极等。
至今ZnO和ZAO薄膜有很多种制备方法,其中包括:磁控溅射法、脉冲激光沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、超声喷雾热解及溶胶凝胶法(Sol-gel)等制备工艺。其中,磁控溅射应用较为广泛和成熟。磁控溅射法(ron sputtering)是研究最多和应用最广泛的方法。制备ZnO薄膜时,是以Zn或ZnO为靶,而在ZAO薄膜的磁控溅射过程中,靶材可以用Zn/A1合金靶,也可用ZnO/A12O3氧化物陶瓷靶,在O2或O2/Ar气氛下,利用磁控射频溅射,将其沉积到基片上的方法。磁控溅射法的优点:
(1)成膜速率高,膜的附着性好;
(2)可适用于多种涂膜材料,包括各种合金化合物;
(3)适用于各种不同的基材和形状;
(4)可实现大面积镀膜。[3]
此方法的缺点:
(1)绝缘靶会使基板温度上升;靶子的利用率低,这是因为靶子侵蚀不均。
(2)不能直接地实现强磁性材料的低温高速溅射。
Al掺杂ZnO薄膜的意义
通常ZnO存在各种缺陷,它们严重影响了半导体材料的电学和光学性能。未掺杂ZnO材料通常表现为n 型导电特性,一般认为是由于氧空位和间隙锌等本征点缺陷的存在而导致的。近年来,由于Al 掺杂的ZnO薄膜(ZAO)具有与ITO 薄膜相比拟的光电性能,即可见光区的高透射率和低电阻率,同时又因其价格较低以及在氢等离子体中的高稳定性等优点,已经成为替代昂贵的ITO薄膜的首选材料和当前透明导电薄膜领域的研究
热点之一。
通过采用溶胶-凝胶方法在玻璃上制备ZAO薄膜,用SEM对薄膜进行表征得出不同铝掺杂浓度下薄膜的表面形态,用XRD表征生长的取向,研究了不同浓度和热度处理的条件对薄膜取向和结晶的影响,可以发现氧化锌压电薄膜的性能发生了影响:1%铝掺杂浓度条件下ZAO 薄膜的结晶性与微观组织结构,其c 轴择优取向性较好;在进行热处理100ºC 并退火600ºC 以上的条件下制备出的ZAO 薄膜,其c 轴取向都较优,单晶结晶较好,且光学透射性能较佳。
在ZnO中掺杂Al之后,可以形成ZnO:Al(ZAO)薄膜。由于ZnO晶体结构比较开放,半径较小的组成原子容易变成间隙原子,,比锌的离子半径()小,所以Al原子容易成为替位原子而占据
Zn原子的位置,也容易成为间隙原子而存在。在ZnO中掺Al之后,其导电性能大幅度提高,电阻率下降,而且在可见光区的平均透过率在85%以上,完全可以与ITO薄膜相媲美。
掺Al并没有改变ZnO薄膜的晶体