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衬底温度对ZnO_Al薄膜结构和光透过性能的影响_王玉新

来源:九壹网
辽宁师范大学学报(自然科学版)第35卷第4期Vol.35 No.4

          

2012年12月Dec.012) 2JournalofLiaoninNormalUniversitNaturalScienceEdition     gy( ()10001735201204047804  文章编号:---衬底温度对ZnO:Al薄膜结构和光透过性能的影响王玉新, 孙景昌, 郑亚茹, 王晓雪, 梁 鸣, 林茂魁, 崔 硕

()辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁大连 116029

摘 要:利用超声喷雾热解方法以不同的沉积温度(在石英衬底上制备出450~530℃)(具备较高光学质量的Z薄膜.通过X射线衍射谱(研究了薄膜的结nO:AlAZO)XRD)构,用扫描电子显微镜(研究了薄膜的表面形貌,用紫外可见(分光光度计对SEM)UV)结果表明:所制备薄膜在可见波段具有较高透过率,薄膜的光透过特性进行了测试分析.

并且沉积温度对A在衬底温度为4ZO薄膜的结构和光透过性能有很大影响.70℃时得)择优取向,结晶质量最好、光透过率最高,在可见光区平均透过到的AZO薄膜具有(002率达到85%以上.

关键词:超声喷雾热解;透过率;薄膜结构AZO薄膜;中图分类号:O484.1   文献标识码:A

属于六方纤锌矿结构.由于(晶面的nO是一种III族直接带隙宽禁带化合物半导体材料,002)  Z-V所以晶体具有C轴择优取向的特性.作为直接带隙宽禁带半导体材料,表面自由能最低,ZnO在光电

]14-、器件领域具有很大的潜力[掺杂A.lIn、Ga等IIIA族元素原子的ZnO半导体透明导电氧化薄膜

(,简称T作为一种重要的光电信息材料得到了广泛的TransarentConductiveOxideThinFilm,CO)    p

]510-研究[由于具有较高的可见光透过率和较强的导电性等特性,.TCO被广泛地应用于各种光电器件

中,如太阳能电池、平板显示器件、气体敏感器件等.目前T最成熟的是氧化CO功能材料中使用最广、

[]铟锡(但I与之相比,薄膜对环境无毒、无污染、ITO),TO材料却有很多缺陷8.Al掺杂ZnO(AZO)

稳定性高、易于加工、对微波具有衰减性,同时又具有与I正在逐渐TO相比拟的光电特性等突出优点,

[1]

最常用的有溶胶-凝胶替代ITO薄膜成为新一代透明导电材料1.AZO薄膜的制备方法很多,]67,9]12]131415]8,16]--,,,法[金属有机化学沉积法[磁控溅射法[脉冲激光沉积法[和喷雾热分解法[等,其中超

容易实现掺杂,且工艺简单,是一种非常经济的制备方声喷雾热分解法可在常压下实现薄膜的制备,

、法.采用超声喷雾热解法在石英衬底上制备了一系列A并借助X射线衍射谱(扫描电ZO薄膜,XRD)子显微镜(和紫外-可见分光光度计(对薄膜进行了表征,研究了衬底温度对结构和光SEM)UV光谱)透过性能的影响.

1 实验

)采用超声喷雾热解法在石英衬底上沉积A前驱体溶液为乙酸锌(ZO薄膜,Zn(CHOO)2H3C2·2O

20120927--  收稿日期:

);)基金项目:国家自然科学基金项目(大连市科学技术基金项目(110040922011J21DW013

,:作者简介:王玉新(女,辽宁辽阳人,辽宁师范大学副教授,博士.1974E-mailuxinwan178@sina.com-)yy

第4期王玉新等:nO:Al薄膜结构和光透过性能的影响 衬底温度对Z479 

(/和硝酸铝(的水溶液,溶液中n前驱体溶液经超声AlNO9H2O)nA∶0.04.3)3·Znl物质的量比值为1雾化后在O乙醇及去离子水超声清洗过的石英玻璃衬底,2载气的作用下携送至喷嘴到达已被丙酮、/,完成雾化热解过程.实验中的各个参数如下:载气流量为1.喷嘴到衬底之间的距离为4c6Lminm,,喷雾时间为1衬底温度从4待反应完成后关闭加热器使衬底自然冷却后再0min50~530℃之间变化.取出样品.

(/为了表征A采用X射线衍射多晶衍射仪(ZO薄膜的晶体结构和表面形貌,XRD)RiakuD g进行物相分析,用JMAXPSPCMDG2000,CuKα,1540598nm)SM-6360LV型扫描电子显微   λ=0.  镜(观察样品的表面形貌.为表征薄膜的光透过性能,采用UVSEM)3600紫外-可见分光光度计测量了样品的光透过率.

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为衬底温度为4在石英衬底上制备的A由图50,470,500,530℃时,ZO薄膜样品的XRD谱.可知,温度偏低或偏高,特别是衬底温度为4当衬底AZO薄膜的结晶性能都变差,50℃时出现非晶态.吸附在石英衬底上的原子能量就比较低,使得原子在到达能量最低的位置之前就进入了温度较低时,

()晶格的位置,使A取向性变差;当衬底温度升高至4峰衍射强度最ZO薄膜的结晶较差,70℃时,002半高宽最窄,说明薄膜有较好的结晶性能,晶粒尺寸最大;但随着温度的继续升高,强,AZO薄膜的())衍射峰逐渐减弱而(晶向的强度逐渐增大.这表明较高的衬底温度有助于吸附在石英衬底上002101加速迁移到适合的成核位置,使A但温度过高使得A原子的扩散、ZO薄膜的结晶质量提高,ZO分子造成晶体择优取向变差.由此可见,衬底温度是影响A中有多余的能量而导致薄膜的非平衡生长,ZO薄膜结构的重要因素,在此实验条件下其最佳温度为470℃.

图1 不同衬底温度下AZO薄膜的XRD图像

Fi.1 XRDofAZOthinfilmsatdifferentsubstratetemeraturesatternsrown          gpgp

2.2 SEM分析

())图2分别是衬底温度为4从图中可以看出,当温度从ad50,470,500,530℃时的SEM照片.~(

粗糙度明显下降,此时薄膜结构致密均匀,没有大尺450℃升高至470℃时薄膜表面平整度大幅提高,

寸缺陷且光洁度好,因而满足光学薄膜质量方面的要求.当温度进一步升高时,薄膜表面平整度转而呈下降趋势.在衬底温度适中时,薄膜内的原子能够获得足够的能量在衬底表面发生迁移,促进晶粒的生长,使得晶粒间的空隙和缺陷变小.而当温度过低时原子迁移所需的能量不足,温度过高又会降低晶粒的附着寿命.因此衬底温度是薄膜质量优劣的关键因素,此结论与XRD结果相吻合.

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辽宁师范大学学报(自然科学版)

第35卷

图2 不同衬底温度下的SEM照片

Fi.2 SEMimaeofAZOfilmsrownatdifferentsubstratetemeratures         ggpg

2.3 透射光谱分析

在不同沉积温度条件下制备的AZO薄膜样品的透射光谱如图3所示,从图中可看出,这些在可见光区平均透过率薄膜有着较高的透过率,

都在7并且在紫外区都有一个陡峭的吸0%以上,且波长位置相差不大,说明衬底温度对禁收边,

9]带宽度影响不大[通过对4个样品的透射谱的.

研究发现,AZO薄膜的透过率与沉积温度的升高即随沉积温度的升高,呈规律性变化,AZO薄膜的透过率先升高后降低.所以,沉积温度过高或而是有一个最佳值.由X者过低都不好,RD实验结果分析我们可以发现,当温度为450℃时还没所以薄膜的透过率较低.随温有形成取向生长,

度的升高,AZO薄膜的可见光透过率出现上升的趋势,我们认为温度的升高使晶体结晶性能得以

图3 不同衬底温度下AZO薄膜的透过率谱rownFi.3 ThetransmittanceofAZOthinfilms      gg

atdifferentsubstratetemeratures   p

改善,从而可见光透过率提高.当沉积温度为470℃时,AZO薄膜在可见光范围的平均透射率达到而5透过率又呈现下降的趋势,可能是因为薄膜的表面形貌变得不85%以上.00,530℃条件下的样品,平整、粗糙多孔,可见光在薄膜表面的散射效应增强,从而减小了可见光范围的平均透射率.AZO薄膜的高透过率可以作为光电二极管中的透明电极或太阳能电池的窗口材料.

3 结论

、采用超声喷雾热解法,分别以乙酸锌和硝酸铝为ZnAl源且其摩尔比为1∶0.04的条件下在石英衬底上制备出高光学质量A研究了衬底温度对A表面形貌及光透过性能ZO薄膜,ZO薄膜的结构、)结果表明,在衬底温度为4沿(方向择优生长,结晶质量的影响.70℃下所得的样品表面均匀光滑,002最好、光透过率最高.

第4期王玉新等:nO:Al薄膜结构和光透过性能的影响 衬底温度对Z481 

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WANGYuxin,SUN JinchanHENG Yaru,  Z gg,WANG Xiaoxue,IANG MinIN Maokui,UIShuo L L C g,

(,,)SchoolofPhsicsandElectronicTechnoloLiaoninNormalUniversitDalian116029,China       ygygy 

:(AbstractZnO:AlAZO)thinfilmswithbetteroticalweresuccessfullonroertiesreareduartz         pyppppq bultrasonicsramethodatdifferentsubstratetemeratures(450~530℃).rolsissubstrate       ypypyyp  

,morholoicalandtransmissionofAZOthinfilmswereinvestiatedbXraStructuralroerties          -pggyypp (,(hotoelectronsectroscoXRD)scanninelectronmicroscoSEM)andUV-Vissectrohotom-    pppygpypp (,eterUV).Exerimentalresultsshowthatallthedeositedfilmshaveoodtransmittanceandthe           ppgtemeraturehassinificantleffectsonstructureandtransmissionAZOsubstrateroerties.The         pgypp ()thinfilmsdeositedat470℃growreferentiallinthe002directionwithbettercrstallineualit          ppyyqy andhihertransmittance.Theaveraeoticaltransmittanceinthevisiblesectrumexceeds85%.           ggpp:;;;KewordsZnO:Althinfilmsultrasonicsratransmittancethestructureofthinfilmsrolsis       pypyyy  

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