磁控溅射制备Sb-ZnO薄膜及其性能研究

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本文在综述ZnO薄膜的结构特性、制备方法和光电性能等现状的基础上,采用射频磁控溅射技术制备了纯和Sb2O3掺杂的ZnO薄膜,采用SEM、台阶仪、XRD、XPS、UV-Vis分光光度计分析、电阻仪、阻抗谱仪等仪器设备分别研究了溅射工艺参数、退火工艺参数和Sb2O3掺杂对ZnO薄膜结构特性、光吸收性能和电学特性的影响规律。SEM、XRD和EDX检测结果显示ZnO薄膜具有很好的工艺稳定性,ZnO薄膜平整致密,粒径分布均匀,晶粒平均尺寸为30-50nm,主要沿c轴方向生长,平均氧含量超过40at%。间歇溅射提高晶粒的择优取向性和致密度,降低了薄膜的内应力;分段冷却将镀膜时间缩短至一半;当基片温度从室温到550℃以及溅射压从0.1Pa到30Pa变化时,ZnO薄膜仍为多晶取向结构;ZnO晶粒的轴向生长速度主要受Zn和O原子的沉积速度影响,径向生长速度主要受沉积速度和活性控制,当氧分压为50%时制备的ZnO薄膜具有最优的形貌和结构;增氧退火逐渐降低了薄膜的内应力、优化薄膜形貌;UV-Vis光度计结果表明退火使薄膜的紫外吸收增强,吸收边变得陡峭并向长波方向移动,光学带隙降低,450℃退火的ZnO薄膜具有最佳的结晶质量和紫外吸收性能。Sb2O3掺杂ZnO薄膜中Sb以替位原子及化合物(Sb2O3和Zn7Sb2O12)等形式存在,ZnO呈混晶方式生长;掺杂薄膜在远紫外波段的吸收显著增强,吸收边变得陡峭且向短波方向移动达5nm,在可见光波段的吸收有所增强。四探针电阻仪测试结果表明调整制备工艺参数和Sb2O3掺杂量,可获得电阻范围为107─10-4Ω·cm的ZnO薄膜。当氧分压为50%时,薄膜的电阻率达到极大值5.2×107Ω·cm,当衬底温度和退火温度均为450℃时,电阻率达到极小值,分别为0.63Ω·cm和2.1×107Ω·cm。中性气氛中退火薄膜的电阻率基本不变,在真空和还原气氛中薄膜的导电能力增强,而在氧化气氛中薄膜的电阻显著增加了七个数量级,成为绝缘薄膜。霍尔效应检测结果显示,纯和Sb-ZnO薄膜的主要载流子为自由电子,其浓度和迁移率随着工艺参数和掺杂量的改变会有较大幅度的变化。锑掺杂后,ZnO薄膜的电阻率降低到10-2Ω·cm数量级,550℃真空退火的Sb-ZnO薄膜电阻达到最低值3.8×10-4Ω·cm。
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