太陽能ZnO薄膜材料的制備工藝設(shè)計

1、湖南工業(yè)大學(xué)課 程 設(shè) 計資 料 袋 理 學(xué)院（系、部） 2010 學(xué)年第 下 學(xué)期 課程名稱 材料科學(xué)導(dǎo)論 指導(dǎo)教師 李雪勇 職稱 講師 學(xué)生姓名 谷文紅 專業(yè)班級 應(yīng)用物理071班 學(xué)號 題 目 太陽能ZnO薄膜材料的制備工藝設(shè)計 成 績 起止日期 2010 年 12月 13 日 2010 年 12 月 17日目 錄 清 單序號材 料 名 稱資料數(shù)量備 注1課程設(shè)計任務(wù)書12課程設(shè)計說明書13課程設(shè)計圖紙張456 湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書2009 2010 學(xué)年第 2 學(xué)期 理學(xué)院 學(xué)院（系、部） 應(yīng)用物理學(xué) 專業(yè) 071 班級課程名稱： 材料科學(xué)導(dǎo)論 設(shè)計題目： 太陽能ZnO薄膜材料的

2、制備工藝設(shè)計 完成期限：自 2010 年 12 月 13 日至 2010 年 12 月 17 日共1 周內(nèi)容及任務(wù)任務(wù)要求：1、通過文獻調(diào)查學(xué)習(xí)該材料制備的一般方法，了解和掌握目前國內(nèi)外研究該材料的制備工藝，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和分析問題、解決問題的能力； 2、綜合運用先修課程的理論及生產(chǎn)實踐知識以及文獻調(diào)查結(jié)果，設(shè)計材料制備方法，分析和解決制備中的可能問題問題，并使所學(xué)知識得到進一步鞏固和深化；3、熟悉并能正確選用材料制備及實驗檢測的設(shè)備和儀器。進度安排起止日期工作內(nèi)容2010-12-13明確課程設(shè)計要求，確定自己的設(shè)計題目2010-12-14深入分析原理，收集資料2010-12-15應(yīng)用所學(xué)

3、知識，設(shè)計各個模塊。2010-12-16綜合各個模塊，分析和總結(jié)設(shè)計結(jié)果。2010-12-17撰寫課程設(shè)計報告。主要參考資料1 陳哲艮 發(fā)展中國陽光發(fā)電技術(shù)的幾點建議1 國家自然科學(xué)基金會新“九五”發(fā)展計劃高級專家會議, 1995.2 徐步衡,薛俊明,趙穎,等. MOCVD制備用于薄膜太陽電池的ZnO 薄膜研究 J . 光電子·激光,2005, 16 (5) : 515 - 518.3 汪雷. ZnO薄膜生長技術(shù)的最新研究進展 J .材料導(dǎo)報, 2002, 16 (9) : 33 - 36.4 王光偉; 張建民; 鄭宏興; 楊斐.ZnO薄膜的制備方法、性質(zhì)和應(yīng)用 J .CNKI:SU

4、N:ZKZK.0.2008-05-028.5 張菲; 諶家軍; 王秩偉; ZnO薄膜的研究現(xiàn)狀 J .重慶文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008年 02期.6 朋興平,楊映虎,宋長安,等. In摻雜ZnO薄膜的制備及其特性研究 J . 光學(xué)學(xué)報, 2004, 24 (11) : 1459- 1462.7 汪建軍; 劉金霞. 太陽能電池及材料研究和發(fā)展現(xiàn)狀 J .浙江萬里學(xué)院學(xué)報, 2006年 05期.8 歐陽桂倉; 葉志清; 吳木生; ZnO薄膜的物理性質(zhì)與制備方法研究 J .江西科學(xué), 2008年 01期.9 黃焱球; 劉梅冬; 曾亦可; 劉少波; ZnO薄膜及其性能研究進展 J .無機材料

5、學(xué)報, 2001年 03期.指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日系（教研室）主任（簽字）： 年 月 日（材料科學(xué)導(dǎo)論）設(shè)計說明書太陽能ZnO薄膜材料的制備工藝設(shè)計起止日期： 2010年 12 月 13日 至 2010 年 12 月 17日學(xué)生姓名谷文紅班級應(yīng)用物理學(xué)學(xué)號成績指導(dǎo)教師(簽字)理學(xué)院太陽能ZnO薄膜材料的制備工藝設(shè)計谷文紅 湖南工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理071班 07411200123摘要：為了降低太陽電池的造價, 近年來掀起晶體ZnO薄膜太陽電池的研究熱潮?；谕粋€目的, 試圖研究設(shè)計太陽能ZnO薄膜材料的制備工藝。本文主要從太陽能ZnO薄膜材料的應(yīng)用及性能研究狀況和發(fā)展趨勢，著重介紹該材料

6、的各種制備工藝，并就其中一種工藝進行設(shè)計，以研究出更趨完善的制備方法。關(guān)鍵詞：太陽能ZnO;薄膜材料;制備工藝設(shè)計1、引言 近年來，由予光電子器件快速發(fā)展，尤其是GaN研究進程的加快，光電材料成為研究的重點。透明氧化物(Transparent Conductive Oxide簡稱TCO)薄膜具有禁帶寬、可見光譜區(qū)光透射率高和電阻率低等特性，其研究與開發(fā)同樣得到飛速的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于太陽能電池、平面顯示、特殊功能窗口層以及光電器件領(lǐng)域。其主要包括In、Sb、zn和Cd的氧化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜材料，而以摻錫氧化銦(TinDoped IndiumOxide簡稱I，I'O膜)薄膜為

7、代表透明導(dǎo)電薄膜材料的研究較成熟，應(yīng)用最為廣泛，美日等國也已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。但金屬銦價格十分昂貴，相對來說，制備氧化鋅薄膜的原材料來源廣泛、價格低廉、毒性小。特別用znO制作固體激光器，激發(fā)波長有向短波方向發(fā)展的趨勢，摻鋁氧化鋅膜(znO：A1)也有同rIO膜可比擬的光學(xué)電學(xué)性質(zhì)，使znO化合物成為半導(dǎo)體材料中一個新的研究熱點，開始逐步應(yīng)用到眾多領(lǐng)域中。2、ZnO薄膜材料的應(yīng)用及性能研究狀況2.1 ZnO薄膜材料的應(yīng)用ZnO 由于其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì),使其在許多方面都有廣闊的應(yīng)用前景. 下面主要介紹ZnO 薄膜在太陽能電池、表面聲波器件、氣敏壓敏元件以及在紫外探測、場發(fā)射顯示器等方面的應(yīng)用。2

8、. 1. 1太陽能電池ZnO薄膜尤其是AZO ( ZnO: A1)膜,具有良好的透明導(dǎo)電性能,可與ITO ( In2O3 : Sn)膜相媲美. 而且相對ITO 膜, AZO 膜無毒性,價廉易得,穩(wěn)定性高,正逐步成為ITO薄膜的替代材料.ZnO薄膜主要是作為透明導(dǎo)電電極和窗口材料用于太陽能電池的生產(chǎn)制備, ZnO受高能粒子輻射損傷較小, 因此特別適合于太空中使用.R. Groenen等人利用擴展熱等離子束技術(shù)制得ZnO: A1薄膜(< 0. 1 ·m, T > 80% ) ,已應(yīng)用于Si: hp - i - n太陽能電池生產(chǎn)。2. 1. 2表面聲波器件ZnO本征材料是一種具

9、有六角纖鋅礦相結(jié)構(gòu)的n型半導(dǎo)體,有較高的機電耦合系數(shù)和較低的介電常數(shù),因而被廣泛地用于制作表面聲波器件( SAW). 但是,要達到SAW 器件良好的c軸擇優(yōu)取向性、高電阻率,從而有高的聲電轉(zhuǎn)換效率以及晶粒細小、表面光滑、晶體缺陷少以減少對SAW的散射的要求,還得對ZnO 薄膜進行進一步的工藝加工處理. 用ZnO 薄膜制成的SAW器件有工作損耗低、傳輸損耗低、聲電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點.J. J. Chen等用直流反應(yīng)磁控濺射法制備的ZnO薄膜具有良好的c軸擇優(yōu)取向性,其表面非常光滑(表面粗糙度即凹凸差值為7. 8 nm) ,界面清晰,機械性能優(yōu)良,電阻率高達1. 97 ×107·

10、cm. 實驗證明: 用這種薄膜制作的SAW 器件頻率可達830MHz,而輸入損耗僅為20 dB。2. 1. 3氣敏壓敏元件ZnO薄膜光電導(dǎo)性隨表面吸附的氣體種類和濃度不同會發(fā)生很大變化. 據(jù)此特點, ZnO 薄膜可用來制作表面氣敏器件,通過摻入不同元素,可檢測不同的氣體,其敏感度用該氣體環(huán)境下電導(dǎo)G與空氣中電導(dǎo)G0 的比值G /G0 來表示.H. Y. Bae、G. L. Tan等人用Sol ge1分別合成了ZnO薄膜氣敏元件,其對CO、H2 和CH4等均有較高的敏感度. 實驗表明:配制的前體溶液pH值越小,薄膜對CH4 敏感程度越高. 而摻Sn、Al形成的ZnO: Sn、ZnO: A1薄膜可

11、檢測乙醇蒸汽,且在675 K下敏感度最高, G /G0 = 190.另外, ZnO 薄膜在室溫下就能產(chǎn)生較強的紫外受激輻射, 特別是它的激子結(jié)合能高達60MeV,在目前常用的半導(dǎo)體材料中首屈一指,這一特性使它具備了室溫下短波長發(fā)光的有利條件. 浙江大學(xué)已用PLD 法在硅襯底上制得性能優(yōu)良的ZnO 薄膜,并直接用平面磁控濺射制備了叉指狀電極,在波長從340 nm到400 nm的連續(xù)光譜光線照射下, ZnO 光導(dǎo)型紫外探測器有很明顯的光響應(yīng)特性,其截止波長為370 nm。2.2 ZnO薄膜材料的性能研究狀況ZnO作為一種直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料,其單晶在室溫下禁帶寬度約為3. 3 eV,該性質(zhì)使

12、其在光電器件領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景. ZnO材料的激子結(jié)合能高達60 MeV,其發(fā)光波長比GaN的藍光波長還要短,可以進一步提高光存儲的密度. ZnO以其諸多優(yōu)良的綜合性能將成為下一代寬帶隙半導(dǎo)體材料,因為生長大尺寸、優(yōu)質(zhì)的ZnO單晶無論對于基礎(chǔ)研究還是實際應(yīng)用都有重要意義.此外, ZnO薄膜由于具有光電耦合系數(shù)大,介電常數(shù)小,光透過率高,化學(xué)性能穩(wěn)定等特性,在制造透明導(dǎo)電電極、表面聲波器件、傳感器、平面板顯示器件、太陽能電池等許多領(lǐng)域有著廣泛的用途. 例如: ZnO 薄膜的電阻率高于10- 6 ·m,在合適的生長、摻雜或退火條件下可形成簡單半導(dǎo)體,導(dǎo)電性能得到大幅提升,電阻率可達到1

13、·m數(shù)量級; ZnO薄膜在可見光范圍內(nèi)光透過率高達90% ,可以用作優(yōu)質(zhì)的太陽電池透明電極,然而它在紫外光譜和紅外光譜范圍內(nèi)有強烈的吸收作用,這一性質(zhì)又可使它被用作相應(yīng)光譜區(qū)的阻擋層. 另外,在透明導(dǎo)電膜的研究方面,摻鋁ZnO 膜(AZO)也有同ITO 膜可比擬的光電性質(zhì). ZnO還具有熔點高、制備簡單、沉積溫度低和較低的電子誘生缺陷等性質(zhì),以硅為襯底生長的ZnO薄膜有希望將光電子器件制作與傳統(tǒng)的硅平面工藝相兼容。3、氧化鋅薄膜的制備與技術(shù)znO禁帶寬度約為33eV，與GaN具有相近的晶格特性和電學(xué)特性，都是六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體，不同用途的znO薄膜對薄膜的結(jié)晶取

14、向、表面平整度、導(dǎo)電性、壓電性和光學(xué)性能有不同的要求，而薄膜的這些特性是由制備過程的工藝參數(shù)決定的。目前，已開發(fā)了多種znO薄膜的制備技術(shù)，來調(diào)控和改善材料的性能。這些技術(shù)各有特點，在降低反應(yīng)溫度、提高控制精度、簡化制備成本方面做了大量的工作。制備znO薄膜的方法主要有：磁控濺射工藝、脈沖激光沉積、射頻濺射法、雙離子束濺射沉積法、化學(xué)氣相沉積法、分子束蒸發(fā)沉積、噴霧熱分解法以及溶膠一凝膠法等等。31 磁控濺射工藝采用磁控濺射法制備zn0薄膜是研究最為成熟，同時也應(yīng)用最廣泛。此法適用于各種壓電、氣敏和透明導(dǎo)體用優(yōu)質(zhì)znO薄膜的制備。用此法可以在非晶襯底上可得到高度c軸取向的znO薄膜，透光率高達

15、99，還通過改進生長工藝參數(shù)、退火或摻雜，調(diào)整znO薄膜的電阻率。由于濺射法具有沉積速率高、適于大面積薄膜制備，與IC平面器件工藝有良好的兼容性的優(yōu)點，目前仍是制備最佳的優(yōu)質(zhì)znO薄膜常用方法。為了進一步提高znO薄膜的質(zhì)量，現(xiàn)已開發(fā)雙離子束濺射沉積工藝，引人了主輔兩個離子束源，通過對znO靶的濺射，使其沉積成膜、主輔離子束源帶兩個石墨平面柵極及帶兩個散焦柵極的離子源，為避免濺射過程中離子束與靶介電表面發(fā)生相互作用而出現(xiàn)正電荷沉積，在體系中添加一個等離子體中和器。znO靶由znO粉末加壓制成，放置于由水冷卻的靶座上，沉積前將沉積室抽至低真空，濺射時，主離子束能量為900eV，電流為70一35m

16、A，輔離子束能量為150eV，電流為8mA在輔離子源的引入氣流中使氧含量高于50，可以避免薄膜中zn超量過多。控制輔離子源的引入氣流，沉積薄膜的組成可基本達到化學(xué)劑量配比。32 脈沖激光沉積脈沖激光沉積(PLD)工藝是近年發(fā)展起來的真空物理沉積工藝，是一種很有競爭力的新工藝。與其它工藝相比，具有可精確控制化學(xué)計量，合成與沉積同時完成，對靶的形狀與襯底表面質(zhì)量元要求等優(yōu)點，所以可對固體材料進行表面加工而不影響材料本體。而使用濺射法制備透明電極時，易使襯底受損，不易得到平整度高的表面。文獻報道l引，在300以下用ArF激光得到含2wtAl的平均可見光透過率犬于90，電阻率為143×10也

17、n·cm的摻A1的znO薄膜(AzO)。用PLD法制得的摻Ga的znO薄膜(GzO)不僅電學(xué)性能良好，且表面光滑，適用于高精度電極，如液晶顯示等，透光率大于90，最低電阻率208 x 10一，Q·cm，此膜只有微小的表面不平整，粗糙度為08姍。33溶膠一凝膠法這種方法無需真空設(shè)備，因而大幅度降低了制作成本，簡化了工藝，且易于控制薄膜組分，生成的薄膜對襯底的附著力強。在較低的溫度下直接制成涂層，退火得到多晶結(jié)構(gòu)，是一種新的邊緣技術(shù)。它的合成溫度較低(約300)，材料均勻性好，與CVD及濺射法相比，有望提高生產(chǎn)效率，已受到電子材料行業(yè)的重視。采用提拉或甩膠法將含鋅鹽類的有機溶膠

18、均勻涂附在基片上，以制取znO薄膜。溶膠的制備主要是利用鋅的可溶性無機鹽或有機鹽如醋酸鋅，在催化劑冰醋酸及穩(wěn)定劑乙醇胺等作用下，溶解于乙二醇獨甲醚等有機溶劑中而形成。涂膠一般在提拉設(shè)備或在勻膠機上進行。每涂完一層后，即置于200450下預(yù)燒，并反復(fù)多次，直至達到所需厚度。最后在500800行退火處理，但PH值大小對薄膜性能有決定性影響。Karnalasall M等人通過改善鋅醇鹽在多種醇的溶解能力途徑改進了溶膠，使用二水醋酸鋅、乙烯乙二醇、n一丙基乙醇與丙三醇混合溶劑制成了均勻透明的溶膠，得到了透明無裂紋的ZnO薄膜。這種方法還可在溶膠中添加各種必要的摻雜劑，實現(xiàn)對ZnO薄膜的多元素摻雜，非常

19、適用于大面積太陽電池中電極的制備。34 化學(xué)氣相沉積主要包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、大氣壓中的化學(xué)氣相沉積(Atmospheric CVD)和燃燒化學(xué)氣相沉積(Combustion CVD)等方法?；瘜W(xué)氣相沉積是利用高溫將znO及其摻雜氧化物蒸發(fā)氣化，再以高純度的H：作為載氣體輸運至沉積區(qū)，在基片上沉積成薄膜的方法。znO及其摻雜氧化物放置于蒸發(fā)區(qū)后需先預(yù)熱，以便摻雜物質(zhì)的均勻混合。基片放置于反應(yīng)沉積室中垂直H：流向。沉積后，znO薄膜可在真空或各種氣氛(如Ar、H：、空氣等)中進行預(yù)熱及退火處理，以改善其電性能。金屬有機物化學(xué)氣相沉積是以含鋅有機鹽作為先

20、驅(qū)體在一定溫度和氣壓條件下氣化、分解、沉積znO薄膜。一般使用鋅有機源與含氧的穩(wěn)定化合物氣體，如NOz、cO：、H：O或N：O反應(yīng)沉積，而Zn的有機源多采用二甲基鋅(DMzn)或二乙基鋅(DEZn)。采用DEzn與CO：反應(yīng)的較多，這有可能是因為這兩種化合物反應(yīng)比較穩(wěn)定。實驗中等離子體的產(chǎn)生是至關(guān)重要，因為CO：是惰性氣體，在等離子體作用下使氧離化出來，與DEzn生成Zn0，沉積到襯底表面。影響薄膜的主要因素是襯底溫度、反應(yīng)壓強和等離子體電離電壓。反應(yīng)壓強約為10。2Pa，電離電壓約1845kV。當(dāng)電壓為35kV時可生長出高度c軸取向的Zn0薄膜，其半高寬僅為03左右，比使用磁控濺射法制備的z

21、nO薄膜要好得多，且表面有足夠的平整度；在380 nm的紫外波段和620 nm為中心的較寬波段有較強的光激發(fā)發(fā)光強度。在富氧條件下生長的ZnO膜有可能出現(xiàn)立方相的ZnO晶體，這將導(dǎo)致陰極發(fā)光光譜的能量向高能端(即紫外段)移動。PEcVD方法的優(yōu)點是生長過程中穩(wěn)定性較好，表面平整有利于在sAw方面的應(yīng)用。但其室溫陰極發(fā)光光譜不單一，存在紫外和綠光兩個發(fā)光帶，不利于制作單色發(fā)光器件。MOCVD是一種異質(zhì)外延生長的常用方法，利用MOCvD系統(tǒng)可以生長出高質(zhì)量的znO薄膜。其沉積過程中的壓強一般為O813Pa，本底壓強非常低。但使用MOcVD法生長znO薄膜對襯底的溫度均勻性要求較高，但存在一個嚴重不

22、足的問題，鋅源與氧在末到襯底以前，就開始反應(yīng)，造成腔壁污染，形成的微粒進入ZnO薄膜，降低了薄膜的質(zhì)量。因此需要盡可能改善氣體輸入的位置及限制其氣相反應(yīng)。燃燒化學(xué)氣相沉積法是一種開放的、在大氣中進行的氣相沉積工藝。先將先驅(qū)體溶解于可燃燒的溶劑中，然后用泵加壓輸送，并混入O：，使其在基片附近燃燒沉積。沉積過程可通過調(diào)節(jié)基片溫度、先驅(qū)體濃度及組成、氣溶膠大小、溶劑的組成及沉積范圍等來加以控制。最大特點是無需真空反應(yīng)室。35 噴霧熱分解法該法是利用噴霧熱分解裝置將醋酸鋅的水溶液或有機溶液噴霧沉積于基片上，并在高溫下分解形成znO薄膜的工藝，該工藝較簡單，摻雜物質(zhì)可按一定化學(xué)配比與醋酸鋅一起溶解于溶劑

23、中，比較容易實現(xiàn)化學(xué)劑量摻雜。醋酸鋅溶液的濃度為0109M，基片溫度為575773，載氣體為壓縮空氣。研究表明，醋酸鋅溶液濃度對ZnO薄膜的定向生長有顯著的影響，濃度越高，znO薄膜的c軸定向生長特征越強。4、利用中頻脈沖電源和等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法制備ZnO薄膜材料4.1 實驗部分實驗采用自行研制的中頻脈沖電源和等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法進行大量ZnO 和ZAO 薄膜沉積實驗以便能探討一種新的制膜技術(shù)。4.1.1 實驗裝置圖4.1 MF-PECVD 實驗裝置圖整套裝置由爐體 真空系統(tǒng)鋅源室組成具體裝置圖如圖4.1 所示真空爐體由頂蓋爐體和底座組成形成一個密封容器爐體做成夾層充以流動冷

24、卻水避免密封件被高溫損壞底座上安裝有陰極熱電偶溫度計進氣口和抽氣口等裝置動態(tài)平衡的供氣和抽氣系統(tǒng)由供氣單元和抽氣單元二部分組成保證工藝要求所需的真空度不同于以往PECVD 系統(tǒng) 本實驗用12cm×2cm 的鋁板代替爐體作為一電極醋酸鋅在常溫下是固體生長膜時使其溶于去離子水通過加熱提高其蒸氣壓為避免蒸汽在管道傳輸過程中在管壁凝結(jié)在通氣管外壁纏繞上保溫帶以維持一定的溫度。4.1.2 PECVD 中頻電源(1)電源框圖圖4.2 PECVD 中頻電源框圖電源電路方框圖如圖4.2 所示電路主要由以下幾部分組成：三相整流濾波單元、功率變換主電路單元、PWM 信號產(chǎn)生與控制單元、驅(qū)動電路單元、過流

25、檢測采樣單元、輸出單元輔助電源及其它。(2)系統(tǒng)使用中頻電源各項技術(shù)指標輸出電壓幅度0 - 900V 可調(diào)頻率150kHz 功率1000W 占空比30 604.1.3 參與反應(yīng)試劑與氣氛高純氧氣(99.999% 武鋼氧氣廠) 氬氣99.9 武鋼氧氣廠醋酸鋅(Zn(CH3COO)2 分析純99.9% 天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心) 六水合三氯化鋁(AlCl3·6H2O,分析純99.9%,中南化工試劑有限公司)。4.1.4 實驗方案設(shè)計實驗分兩部分進行。第一部分是在普通鈉鈣載玻片上沉積ZnO 薄膜。第二部分是在普通鈉鈣載玻片上沉積ZAO 。薄膜考察工藝參數(shù)對薄膜品質(zhì)的影響電壓使用本電源時

26、420V 左右起輝最高可調(diào)電壓為900V 據(jù)此設(shè)定范圍為450V 900V電流根據(jù)電源情況和所需襯底溫度設(shè)定范圍為0.9 1.8A襯底溫度考慮所需襯底溫度結(jié)合電源情況設(shè)定范圍為150 550_沉積時間通過初步實驗結(jié)合實驗具體探討情況設(shè)定范圍為60 210min反應(yīng)室總氣壓通過初步實驗結(jié)合真空系統(tǒng)的實際情況設(shè)定討論范圍為150 500Pa鋅源溫度通過初步實驗設(shè)定范圍為50 80_鋅源濃度通過初步實驗設(shè)定濃度值0.5/0.75/1.0mol/l摻雜量根據(jù)理論分析和初步實驗設(shè)定濃度值為1/2/3at.%實驗采用MF-PECVD 法制備ZnO 和ZAO 薄膜用去離子水作溶劑醋酸(Zn(CH3COO)2

27、)為鋅源配制鋅源溶液制備ZAO 薄膜時用AlCl3126H2O 作摻雜劑第一部分實驗中考察反應(yīng)室總氣壓沉積時間鋅源濃度對薄膜吸光ZnO 薄膜的制備摻雜工藝研究16度的影響比較沉積薄膜前后透射率的變化考察襯底溫度反應(yīng)室總氣壓鋅源濃度對成膜速率的影響考察襯底溫度對薄膜表面顏色均勻度附著力晶型的影響考察ZnO 薄膜的光催化作用通過上述實驗得出MF-PECVD 法制備ZnO 薄膜的最佳工藝參數(shù)第二部分實驗中運用正交設(shè)計法考察襯底溫度沉積時間鋅濃度摻雜量對ZAO 薄膜透射率的影響得出MF-PECVD法制備ZAO 薄膜的最佳工藝參數(shù)最后通過比較ZnO 與ZAO 薄膜的透射率分析了摻雜影響薄膜透射率的原因。

28、4.1.5 制備流程 實驗前襯底的準備載玻片的處理將普通鈉鈣載玻片切割成2.5cm121.2cm 大小用洗衣粉清洗后用去離子水洗凈，再用乙醇浸泡清洗去離子水洗滌兩次后烘干待用。 實驗過程將載玻片放在下極板上。將真空系統(tǒng)抽真空，極限真空為35Pa 壓，升率為20Pa/h 。調(diào)節(jié)電源電壓充入氬氣，濺射約10min， 開始充入反應(yīng)氣氛鋅源調(diào)節(jié)反應(yīng)氣氛流量達到實驗所設(shè)定的爐體內(nèi)氣壓進行薄膜沉積實驗由于鋅源升溫需要一段時間一般提前將鋅源加熱至預(yù)定溫度以保證在反應(yīng)過程中鋅源能保持恒定地供給記錄實驗參數(shù)數(shù)據(jù)襯底溫度由溫度傳感器測量升溫時間根據(jù)預(yù)先設(shè)定電壓而有所不同一般保持在 30

29、 40min 沉積時間是指溫度恒定后的保溫時間由于溫度傳感器所測襯底溫度和真實襯底溫度有一定的溫度差約為100_ 實驗中所討論的襯底溫度是指溫度傳感器所測溫度。 實驗后處理實驗結(jié)束抽氣系統(tǒng)一直工作直到爐體內(nèi)溫度降至室溫取出樣品裝入樣品袋中編號待檢測。4.2 薄膜的主要表征方法概述4.2.1 UV-vis 分光光度計法檢測玻璃襯底上鍍膜后的透射率和吸光度考察ZnO 和ZAO 薄膜的光學(xué)特性同時根據(jù)吸收峰的位置計算ZnO 薄膜的禁帶寬度采用上海第三分析儀器廠生產(chǎn)的721 型分光光度計檢測掃描波長為350 800nm。4.2.2 XRD 檢測法XRD 檢測的主要目的，在于確定ZnO 薄

30、膜的晶面取向，從而考察襯底溫度對ZnO 薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響。利用X 射線衍射法，進行晶體結(jié)構(gòu)分析主要是利用X 射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象的實質(zhì)是大量的原子散射波相互干涉的結(jié)果，每一種物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括點陣類型晶胞大小，晶胞中原子(離子或分子)的數(shù)目及其位置。而這些參數(shù)在X 射線衍射圖譜上均有所反映。多晶物質(zhì)衍射線條的數(shù)目位置及強度就像人的指紋一樣是某種物質(zhì)的特征，因而可以成為鑒別物相的標志。X 射線定性分析就是比較被測定試樣和已知物質(zhì)的衍射圖譜。若試樣的衍射譜中含有某已知物質(zhì)的譜圖，即可判定該樣中含有某種物質(zhì)現(xiàn)在應(yīng)用的己知物質(zhì)的標準圖譜是JCPDS 的粉末衍射卡片組(PDF

31、) 憑借字母順序索引或Hanawat 索引找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)組獲得PDF 卡片的號碼找出卡片仔細對照比較判別是否有該種物質(zhì)實驗所用檢測儀器為Bruker D8 X-射線衍射儀Cu 靶K 射線源。4.2.3 紅外譜(IR)檢測法在化合物的結(jié)構(gòu)鑒定與研究工作中，紅外光譜是一種重要的手段。用它可以確定一個新化合物中，某一特殊鍵或官能團是否存在紅外光譜。用波數(shù)為橫坐標以表示吸收帶的位置，用透射百分率Transmittance% 為縱坐標表示吸收強度時吸收帶。為向下的谷分子中原子的振動可以分為兩大類一類是原子間沿著鍵軸的伸長和縮短即伸縮振動振動時鍵長有變化但鍵角不變另一類是組成化學(xué)鍵的原子離開鍵軸而上下左右

32、的彎曲即彎曲振動彎曲振動時鍵長不變但鍵角常有變化研究紅外光譜的結(jié)果可以肯定在一定頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)的譜帶是由哪種鍵的振動所產(chǎn)生的整個輻射電磁波涵蓋的范圍非常廣光子所具有的能量也不同不同能量光子在與物質(zhì)反應(yīng)時則會有不同的躍遷情形所謂紅外光一般定義是指波長在可見光(0.78m)和微波(1000m)間的電磁波從微觀的角度來看分子是隨時保持振動和轉(zhuǎn)動若吸收適當(dāng)頻率的紅外光會使分子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的分子所以可以通過透射紅外光譜來了解分子的結(jié)構(gòu)作為鑒定分子結(jié)構(gòu)的工具由于研究的是固體樣品分子和分子間會彼此束縛所以看不到轉(zhuǎn)動峰譜只有振動譜峰紅外光檢測對于樣品來說是一種非破壞性的分析樣品在進行紅外光譜測量之后,并不會造成

33、原來結(jié)構(gòu)的破壞和改變實驗所用檢測儀器為美國尼高力NICOLET 公司生產(chǎn)的NEXUS 470 智能型傅立葉紅外光譜儀。4.2.4 橢偏儀法本實驗中橢偏儀用于測量ZnO 薄膜的厚度測量多層膜厚度和光學(xué)常數(shù)的經(jīng)典方法。橢偏儀法它屬于反射光譜橢偏儀法可以用來測量薄膜的厚度復(fù)折射系數(shù)(實部折射率n 和虛部消光系數(shù)k)電介質(zhì)薄膜的能隙等物理性質(zhì)橢偏儀法的基礎(chǔ)是兩種介質(zhì)界面上四個菲涅耳公式(分別給出p 分量和s 分量的反射率和投射率)和折射定律ZnO 薄膜的制備摻雜工藝研究18在薄膜樣品中光波在空氣/薄膜界面和或薄膜/襯底反復(fù)反射和折射計算得到反射率R 和透射率T 分別為R r r exp( 2i ) 1

34、 r r exp( 2i ) 01 12 01 12 = + + (3.1)T t t exp( i ) 1 r r exp( 2i ) 01 12 01 12 = + (3.2)式(3.1) (3.2)中1 1 = (2n d / ) cos d 和n1是薄膜厚度和折射率1是入射角r01 r02 t01 t02 分別是0 1 和1 2 介質(zhì)0 1 2 分別代表空氣薄膜和襯底界面上的反射率和折射率它們可以分別由p 分量和s 分量的不同菲涅耳公式計算出來對于有襯底薄膜根據(jù)種介質(zhì)的折射率和薄膜厚度也可以從上式得到有襯底薄膜的反射率R 和透射率T實驗所用檢測儀器為RUDOLPH RESEARCH 公

35、司生產(chǎn)的AUTOEL _型橢圓偏振光測厚儀。4.2.5 X-射線光電子能譜(XPS)檢測法本實驗中XPS 檢測的目的是分析沉積薄膜表面的化學(xué)成分用能量足夠高的光子作為激發(fā)源通過光電效應(yīng)產(chǎn)生一定能量的光電子X-射線光電子能譜儀利用能量較低的X-射線源作為激發(fā)源通過分析樣品發(fā)射出來的具有特征能量的電子分析樣品化學(xué)成分實驗所用檢測儀器為THERMO ELECTRON CORPORATION 生產(chǎn)的VGMultilab 2000 X-射線光電子能譜儀。5、結(jié)論本文分別從ZnO薄膜材料的應(yīng)用以及性質(zhì)研究狀況和發(fā)展趨勢，著重介紹該材料的各種制備工藝，并就其中一種工藝進行設(shè)計，以研究出更趨完善的制備方法。隨著薄膜制備工藝的不斷發(fā)展和高質(zhì)量襯底的應(yīng)用, ZnO薄膜的制備及其特性研究仍然是該領(lǐng)域研究的熱門之一,研究工作者也志在尋求最優(yōu)化的薄膜生長條件與工藝,從而獲得更加有實際價值的薄膜. ZnO薄膜雖然有了幾十年的研究歷史,但是目前依然還有很廣的研究前景,特別是在p型摻雜、紫外受激激發(fā)及場發(fā)射性能等方面都很值得人們繼續(xù)去研究。6、心得體會 為期一周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次材料科學(xué)導(dǎo)論的課程設(shè)計中不僅檢驗了我材料學(xué)方面所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事