目录
摘要 ..................................................................... 1 1实验 .................................................................... 3 2结果与讨论
2.1薄膜的结构与形貌 ..................................................... 3 2.2薄膜的电学和光学特性 ................................................. 5 3结论 ......................................................................................................................................... 8
退火对ZnO/Cu/ZnO透明导电薄膜性能的影响
Effects of Annealing on Properties of ZnO／Cu／ZnO
Transparent Conductive Film
李文英，钟建，张柯，汪元元，尹桂林，何丹农。
LiWen—ying1，ZHONG Jian2，ZHANG Ke2 WANG Yuan—yuan2，
YIN Gui一1in2．HE Dan—nong1’2
(1上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240； 2纳米技术及应用国家工
程研究中心，上海200241) (1 School of Materials Science and
Engineering．Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2 National Engineering Research Center for Nanotechnology，Shanghai 200241，
China) 摘要：室温下利用磁控溅射制备了ZnO／Cu／ZnO透明导电薄膜，采用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、霍尔效应测量仪和紫外一可见分光光度计研究了薄膜的结构、形貌、电学及光学等性能与退火温度之间的关系。结果表明：退火前后薄膜均具有ZnO(002)择优取向，随着退火温度的升高，薄膜的晶化程度、晶粒粒径及粗糙度增加，薄膜电阻率先降低后升高，光学透过率和禁带宽度先升高后降低。150。C下真空退火的ZnO／Cu／ZnO薄膜的性能最佳，最高可见光透光率为90．5％，电阻率为1．28×10-4Q·cIn，载流子浓度为4．10×1021 cm 。
关键词：退火；ZnO；Cu；透明导电薄膜
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中图分类号：TN304；0484 文献标识码：A 文章编号：1001—4381(2015)01—0044—05
Abstract：ZnO／Cu／ZnO transparent conductive thin film was prepared by magnetic sputtering deposi—tion at room temperature．The relationships between post—annealing and the structure，morphology， electrical and optical properties of the multilayer film were investigated by X—ray diffraction(XRD)， canning electron microscope(SEM)。Hall effect measurement sys—tem and UV—Vis spectrophotometer．The results indicate that ZnO films have(002)preferential ori—entation before and after annealing．With the increase of annealing temperature，the crystallization， grain size and surface roughness increase．The resistivity decreases at first and then increases，while the optical transmittance and band gap energy increase at first and then decrease．ZnO／Cu／ZnO film annealed at 1 50℃has the best performance with the highest transmittance of 90．5％in the visible range，a resistivity of 1．28×10—4n·cm and a carrier concentration of 4．10×1021 cm一3． Key words：annealing；ZnO；Cu；transparent conductive film
Zn0是一种Ⅱ一Ⅵ族宽禁带半导体，在可见光范围内具有高的透过率。作为一种透明导电氧化,ZnO在平板显示器、太阳能电池、有机发光二极管、液晶显示器等领域有着广泛的应用前景。透明导电薄膜要求在可见光范围内具有高透过率和低电阻率，然而，纯Zn0具有高的电阻率，因此，有必要引入一种方法来降低其电阻率。半导体一金属一半导体 (D-M—D)结构将金属与半导体相结合，中间层的金属可以提供导电电子，提高薄膜的导电性，同时，上下两层的半导体，又可以抵消中间层对光的散射作用，从而保证其透光性。常用的金属有Au，Ag和Cu，因为它们具有高的导电性，但是，Au和Ag的价格比较昂贵，不利于大规模使用，而Cu与Ag相比具有相当的电导率(≈1．7×10“Q·cm)；另一方面，Cu2+与Zn抖的离子半径较为接近，Cu2+更可能替代zn2+的位置而存在于ZnO晶格中，在Cu层与ZnO层的界面处不会产生较大的晶格畸变，从而减少界面对光子的散射，因此选用Cu作金属层。ZnO的高透光性、资源广泛、绿色无污染等优点使其成为半导体层的最佳选择。但是ZnO的表面和晶界处会存在氧的化学吸附，从而导致更高的电阻率，因此，纯ZnO的电性能不稳定。为解决这个问题。通常对ZnO膜进行退火后处理，通过释放应变能，提高晶型来提高膜的稳定性。I．ee等¨?J和Fang等¨副的研究显示退火对ZnO薄膜的形貌具有明显的影响，其退火气氛为氮气一氢气混合气和空气，但未研究真空退火对薄膜结构与性能的影响；Sahu等凹1对ZnO／Cu／ZnO薄膜进行了退火后处缺乏对薄膜性能与形貌、结构之间关系的分析，因此，有必要研究真空退火对薄膜结构与性能的影响，并对薄膜性能与形貌、结构之间关系进行分析，得出三者之间的关系。从而为进一步提高薄膜性能提供理论依据。
本实验通过改变不同退火温度，探究退火温度对ZnO／Cu／ZnO透明导电薄膜的影响，通过对薄膜的形貌、结构、光学和电学性能进行表征，确定薄膜性能
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与形貌、结构之间的关系，并获得使薄膜综合性能达到最优的实验条件。
1 实验
采用MS500B型超高真空多靶磁控溅射仪制备Zn()／Cu／Zn()薄膜。选用普通载玻片为基片，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min，之后用纯氮气 (99．99％)吹干，置于超高真空MS500B磁控溅射仪的沉积室内。溅射的本底压强为5×10一‘Pa，工作压强为0．8Pa，溅射气体为高纯氩气(99．999％)。ZnO／Cu／ZnO膜为上下对称结构，上下两层ZnO厚度均为50nm左右，Cu厚度为10nm。选用的靶材是ZnO靶 (纯度为99．99％)和Cu靶(纯度为99．99％)，二者直径均为7．6cm。ZnO采用射频溅射，射频功率为30W，氩气流量为40sccm；Cu采用直流溅射，功率为80W，氩气流量为50sccm。溅射前对靶材均进行10min的预溅射，以去除靶材表面的污染物。溅射过程中基片温度均为室温。溅射后，将样品转移到管式炉内，分别于1 50，300，450℃下真空退火1h。薄膜的厚度用OPTREI．muhiscop型椭偏仪测。
2 结果与讨论
2．1薄膜的结构与形貌
图l所示为不同退火温度下ZnO／Cu／ZnO薄膜的XRD图谱。图1中20=43．3。对应的是Cu(111)晶相，未出现其他Cu相。20=34．4。对应的是ZnO的(002)衍射峰，未出现ZnO其他晶相，表明ZnO为多晶纤锌矿结构且具有高度的r轴择优取向。这是因为与其他晶面如(1 10)，(100)相比，ZnO(002)晶面的表面能最低，为9．9eV／nm2，因此ZnO通常具有C轴择优取向，这种现象也存在于Ag掺杂ZnO薄膜中Els]。经150，300，450℃退火后，ZnO(002)和Cu(111)衍射峰明显增强，半峰宽不断减小，(002)衍射峰向高角度偏移，且其对应的2口角越来越接近PDF标准谱图中(002)衍射角(34．4。)，以上表明随着退火温度的升高，ZnO晶粒逐渐长大，晶化程度提高。
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根据X射线衍射理论，对于六方晶系，晶面间距与晶格常数的关系式为
式(1)中：d为晶面间距；n，c为晶格常数；h，k和z为密勒指数。根据Bragg方程:
A一2dsin0 (2)
式中：A为X射线的波长；0为布拉格衍射角。图1显示臼值随着退火温度的升高而变大，因此，由式(1)， (2)可得(002)晶面的晶格常数随着退火温度的升高而减小。较高的退火温度会加速ZnO／Cu界面处的原子扩散迁移。
图2为不同退火温度下Zn0／Cu／Zno薄膜的ArM形貌，所选区域为肛m x 1肛m。由图2可知，随着退火温度的升高，ZnO薄膜的粒径逐渐增大，150℃时粒径变化不大，温度升高到300，450。0时粒径显著增大。粗糙度分析显示，退火前，150，300，450。C退火后的粗糙度分别为(1．18±0．02)，(1．25±o．03)， (3．07±0．18)，(5．24±0．53)nm，粗糙度逐渐升高。
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此外，图1中XRD结果显示(002)面衍射峰的半峰宽值随退火温度的升高而减小，也表明ZnO晶粒尺寸逐渐增大，与AFM结果相一致。这是因为退火温度升高，提供给原子迁移的能量也增加，晶界更容易迁移，从而使ZnO晶粒长大。
2．2薄膜的电学和光学特性
图3为ZnO／Cu／ZnO薄膜在不同退火温度下的电学性能变化曲线。可以看出，与未退火薄膜相比，随着退火温度的升高，退火后薄膜的电阻率先降低后升高，载流子浓度先升高后降低，霍尔迁移率持续升高。
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大学计算机基础作业-论文排版 - 图文
