基本信息
- 项目名称：
- 具有同质缓冲层的AZO透明导电薄膜光电特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 利用射频磁控溅射技术室温下在玻璃衬底上制备了具有同质缓冲层的铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜。通过x射线衍射、分光光度计、四探针探测仪、SEM等技术，研究了不同条件下制备的具有同质缓冲层的AZO薄膜的结构特性与光电性质，在可见光范围内的平均透过率均为80％以上．分析了有缓冲层和无缓冲层AZO薄膜的电阻率、载流子浓度、迁移率和透射谱、带隙等参数的变化情况，并给出了机理解释。
- 详细介绍：
- 透明导电氧化物薄膜（TCO）因其导电性好、在可见光区透过率较高、性能稳定等特点，使其在薄膜太阳能电池、光发射二极管、大屏幕显示器等薄膜光伏器件领域作为电极得到了广泛的应用。在所有的透明导电薄膜当中，铟锡氧化物（ITO）和氟锡氧化物（FTO）因为其技术复合的重要特点被广泛使用。然而，由于ITO和FTO的可靠性是有限的，加之铟又是贵金属，FTO有毒，它对人类和环境是有害的，且价格昂贵，因此研究其它半导体材料是十分重要的。目前，掺铝氧化锌薄膜(AZO)具有高电导、高透过率、宽带隙等特点，其光电性能可与ITO、FTO薄膜相媲美，而且其原材料储量丰富，价格便宜，无毒性，对环境无污染，其热稳定性和化学稳定性优于ITO薄膜；此外AZO薄膜的光电特性可以通过控制铝掺杂含量的不同进行调节，它作为ITO和FTO薄膜的替代物，成为透明导电薄膜的研究热点。近几年来，人们研究了多种制备高质量AZO薄膜的方法，其中包括化学汽相淀积（CVD）法、溶胶凝胶法、溅射法、脉冲激光淀积法（PLD）等，磁控溅射法在工业化大面积生产制造铝掺杂氧化锌薄膜方面是非常有效的技术。本文中利用磁控溅射技术制备AZO薄膜，为了减少薄膜界面缺陷对其结构和光电性能的影响，笔者尝试在AZO薄膜与玻璃衬底之间引入AZO同质缓冲层。用射频磁控溅射法在同质缓冲层上制备AZO薄膜以及AZO同质缓冲层对该薄膜结构与光电性能影响的报道尚不多见。本文着重研究了有同质缓冲层的AZO薄膜的结构和光电性能，分析了不同条件下制备的薄膜的形貌结构、透过率、带隙等参数的变化，初步探讨了缓冲层的作用机理。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- AZO透明导电薄膜的研制在国内外尚处于研究与开发阶段，制备工艺还有待完善，光电性能还需提高。缓冲层的引入是一种可行的方法，能减少薄膜中的缺陷，可以很好地避免由于热膨胀系数不同而引起的晶格畸变。本人在调研了国内外AZO薄膜研究成果的基础上，采用磁控溅射法，制备了不同条件下AZO薄膜，分别研究了不同溅射功率、溅射时间制备的AZO薄膜的结构与光学、电学性能，并进行了理论分析和解释。
科学性、先进性及独特之处
- 对同质缓冲层机理、作用的研究及其理论解释已有报道，但对于AZO薄膜的研究应用还处于初级阶段。本实验采用同质缓冲层外延AZO透明导电薄膜，在AZO薄膜和衬底之间引入同质结缓冲层以改善成膜质量，国内外在这方面的研究尚不多见；作品研究了具有同质缓冲层的AZO透明导电薄膜的结构和光电特性，并给出了相关解释，具有科学性。该种薄膜电导率高、透过率高、带隙宽、制造成本低、无毒、环保等是其独特之处。
应用价值和现实意义
- 1. 同质缓冲层的引用，改善了AZO薄膜的结晶质量和光电性能，为其生产工艺的改进提供了实验支持和理论支持，大大增加了AZO透明导电薄膜的使用特性。 2. 该薄膜在太阳能电池、液晶显示器、防静电、光电器件等领域中作为透明电极有广阔的应用前景。因为AZO薄膜原材料丰富、价格低、无毒无害，更容易制备和推广，很有现实意义。
学术论文摘要
- 实验采用JPGF-450型射频磁控溅射仪室温下在玻璃衬底上制备了具有同质缓冲层的(AZO)薄膜。本实验所用a.b.d样品的缓冲层溅射时间分别为0min、1min、7min，在该同质缓冲层上溅射生长了AZO薄膜，溅射时间均为30 min。通过x射线衍射、分光光度计、扫描电子显微镜（SEM）等技术，研究了不同条件下制备的具有同质缓冲层的AZO薄膜的结构特性与光电性质。所有样品都在2θ=34.43o 左右出现一个最强的衍射峰，这个特征峰对应于ZnO晶体(002)面的衍射峰位，且随着溅射时间的增加(002)衍射峰的强度增强，因为(002)晶面具有最低的表面自由能，这表明具有同质缓冲层的AZO薄膜具有(002)择优取向。所有制备的AZO薄膜在可见光范围内的平均透过率均在80％以上,这说明同质缓冲层对于薄膜透过率的影响并不显著，透射谱吸收边向长波方向稍有移动；结构分析表明适当厚度的缓冲层使薄膜的晶粒生长更加完好，结构更加完善，这会使薄膜的内部结构缺陷减少，从而减少载流子的散射几率；随着缓冲层厚度增加，薄膜内应力有所改变，薄膜电阻率变小，自由电子浓度有所下降，薄膜形成的带尾态可导致禁带宽度变窄。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 1、选题有很强的使用意义，能很好的结合实际，具有合理见解，格式方面有欠缺。 2、创新特点还需进一步阐述，尤其与该领域相关研究的比较。 3、图表缺英文对照，参考文献不规范。
参考文献
- [1] 徐成海,陆峰,谢元华.氧化锌铝透明导电膜[J].真空电子技术,(2003)6:39-49. [2] 苏伟涛，余志明，射频溅射制备ZnO:Al透明导电薄膜及性能研究，中南大学硕士学位论文，2004.5. [3] Zhang D H, Yang T L, MA J, et al. Preparation of transparent conducting ZnO∶Al films on polymer substrates by RF magnetron sputtering[J].Appl Surf Sci,(2000)158(1):43-48. [4] 杨斌，王连杰，张平，宋淑梅，杨田林，同质缓冲层厚度对掺铝氧化锌薄膜性能的影响[J]，电子元件与材料，V0l.29, No.1,Jan．2010. [5] Yong Hyun Kim, Kyung Seok Lee, Taek Sung Lee, et al. Current Applied Physics,(2010)10, 2: S278-S281. [6] Sang-Hun Jeong, Il-Soo Kim, Sang-Sub Kim, et al. Journal of Crystal Growth, (2004)264, 1-3:110-115. [7] Jie Zhao, Lizhong Hu, Materials Science in Semiconductor Processing,(2009)12,6:233-237.
同类课题研究水平概述
- 当前，透明导电膜的研究范围很广泛，很热门，材料品种很多，但主要集中在ITO以及In２O３和其他氧化物混合的领域。目前ITO薄膜电阻率可低到７×１０－５Ω•cm，且对可见光的透射率在９０％以上，这些优良的光电性能，使ITO薄膜成为透明导电薄膜材料的主流产品。近来关于AZO薄膜的研究在国内外开始热起来，这主要是由于ITO薄膜中含有贵金属铟，成本较高。AZO薄膜相对于ITO而言，具有价格便宜、在氢气气氛下具有更好的稳定性等优点，有望成为ITO的替代产品。尤其是AZO在太阳能电池上作透明电极的应用取得了很大的进展。南韩的Woon－JoJeong用AZO靶制备薄膜的透过率大于95%。美国国家可再生能源实验室的Ingrid Repins等人制备了以AZO作电极、转化效率达19.9%的CIGS太阳能电池。国内在AZO方面的研究相对比较落后，取得技术上的突破还有待时日。将同质结缓冲层应用到AZO薄膜制备的研究相对较少。仅有武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室的王鹏等人对AZO中同质结厚度的影响作了XRD、方块电阻等测试。因此，研究同质缓冲层AZO薄膜的结构和光电特性具有非常重要的现实意义。
