sol—gel法制备al掺杂zno薄膜的微结构及电学特性

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1、Sol—Gel法制备Al掺杂ZnO薄膜的微结构及电学特性第27卷第4期湖北师范学院(自然科学版)JournalofHubeiNormalUniversity(NaturalScience)VoL27No.4,2007Sol—Gel法制备A1掺杂ZnO薄膜的微结构及电学特性王秀章',刘红日,晏伯武2,程娜娜,武婷婷(1.湖北师范学院物理系,湖北黄石435002;2.黄石理工学院,湖北黄石435002)摘要:采用溶胶一凝胶法在sj(100)衬底上制备了不同浓度掺杂的ZnO(AZO)薄膜.XRD研究表明掺

2、杂对薄膜的结晶产生明显的影响.用四探针法测量其电阻特性,表明在1mol%AI掺杂,600~C下退火,其电阻率最低.关键词:溶胶一凝胶法;ZnO;AI¨掺杂;导电薄膜中图分类号:TQ174.758文献标识码:A文章编号:11309-2714(2007)04—13001—04作为良好的半导体材料,透明导电膜(TCO)在光电池,压电转换和液晶显示等诸多方面具有广泛的应用.In0,:Sn(Sn—dopedIn0,,ITO)薄膜是7O年代发展起来的一种透明导电电极材料,由于具有较高的可见光透过率和较高的导电性

3、,因此,在各种平板显示器件中得到广泛的应用,但它存在下列缺点…:1)主要是在较高的衬底温度(>300oC)下制备或经较高的退火温度后续处理;2)ITO中的铟有剧毒,在制备和应用过程中对人体有害,并且In0,价格昂贵,成本较高;3)该薄膜易受到氢等离子体的还原作用,功效降低.因此,人们开始寻找新的透明导电薄膜来代替ITO膜.掺铝氧化锌薄膜,由于具有较高的可见光透过率和较高的导电性,并具有在紫外截止,红外高反射,对微波有强的衰减性等特性,并且制备掺Al氧化锌薄膜的主要原料是ZnO,而ZnO原料充足

4、,成本低廉,无毒,在氢等离子体中具有稳定性,而且它也是一种宽能隙的n型半导体材料,其禁带宽度=3.44eV.该材料的导电性主要不是依赖本征激发,而是靠杂质能级的电子或空穴激发.但是,由于本征ZnO半导体杂质能级的形成和它的化学计量比偏移程度在技术上很难做到J.因此,使用掺杂的方法来提高ZnO薄膜中的载流子的浓度,其中铝掺杂氧化锌薄膜是ZnO掺杂体系中最具代表性的,逐渐成为ITO薄膜的最佳替代者,是值得深入研究的新一代透《!j导电薄膜.目前它已被广泛地应用于各种光电器件中".制备铝掺杂氧化锌(ZAO)

5、薄膜的方法有直流(射频)磁控溅射J,真空反应蒸发,溶胶一凝胶法】,脉冲激光沉积】,超声雾化气相沉积法等,但溶胶一凝胶法具有制备工艺简单,各种化学成份配比容易控制,而且容易实现大面积涂膜,本实验采用溶胶—凝胶方法在si(100)基片上制备了铝掺杂氧化锌薄膜,研究不同浓度的Al掺杂量对薄膜电性能的影响.1实验2.1溶液的合成采用分析纯的二水合乙酸锌[zn(CH,COO)2?2H0]作为前驱体,乙二醇甲醚[2一me—thoxyethano1]作为溶剂,乙醇胺(MEA)作为稳定剂;将一定量的二水合乙酸锌溶解

6、于乙二醇甲醚中,收稿日期:2O0r7—06—2O基金项目:湖北省教育厅青年项目基金(Q20O7220O2)和黄石市科技攻关计划项目基金(黄科技发成~20o6]18号)资助作者简介:王秀章(1963一),男,湖北罗田人,副教授,硕士,主要研究方向为功能薄膜.再加人与二水合乙酸锌等摩尔的单乙醇胺,在适当的条件下,经充分搅拌后,形成透明均质的溶液.为了制备Al¨离子掺杂型ZnO薄膜,将九水合硝酸铝[Al(NO,)3?9H:0]加人到以上所配置的溶液中,充分搅拌后,形成透明均质溶液.为了研究Al掺杂对ZnO

7、薄膜的导电性能的影响,我们按照Al和zn的摩尔比分别为0.5%,0.8%,1%,1.5%,2%,3%,5%的比例,配制了Al掺杂的ZnO前驱体溶液.2.2薄膜的制备利用Si(100)作为薄膜的基体材料,采用旋涂法制备薄膜,旋转速度为3000r/rain;匀胶时间为15s;匀胶过程结束后,将薄膜立即放电热盘上,在3000C环境热处理3min,采用逐层退火的方式,在600%的温度下退火,按照此法反复涂膜,最后得到所要求厚度,这样就可以制备出品质较佳的纯ZnO和Al¨离子掺杂型ZnO薄膜.为了研究退火温度

8、对薄膜的导电性的影响,我们分别在500%,550%,600%,650%下退火,制备另一组Al¨离子掺杂型ZnO薄膜.作为对照,我们在600%的温度下,采用一次性退火的方法,制备了Al¨离子掺杂型ZnO薄膜.2.3薄膜的分析与测试采用德国布鲁克公司的x射线衍射仪(D8AdvanceDiffractometer)对薄膜中晶体结构;利用四探针法测量其电阻特性.3结果与讨论3.1A1掺杂ZnO薄膜的XRD特性及分析由图1可看出,所有样品都有一个对应ZnO(002)晶面族的的衍