透明导电薄膜

题目：透明导电薄膜的性能制备以及研究现状院（部）系材料科学与工程学院所学专业材料工程年级、班级2014级学号2014730056完成人姓名卫明摘要本文概述了ZnO的基本性质。综述了制备ZnO薄膜的各种制备方法及它们的优点，并简要介绍了几种制备方法中不同因素对制成的ZnO薄膜性质的影响。最后，介绍了ZnO薄膜的发展现状，并对其发展趋势进行了展望。关键词ZnOZnO：Al薄膜薄膜太阳能电池气体传感器AbstractThispapersummarizesthebasicpropertiesofZnO.SeveralpreparationmethodsofZnOfilmarebrieflysummarizedincludingtheiradvantagesanddifferentfactorswhichinfluenceZnOthinfilmproperties.Finally,thecurrentsituationofZnOfilmapplicationsisintroduced,anditsdevelopmenttrendwasdiscussedintheend.Keywords：ZnO：Alfilmthinfilmsolarcellgassensor1前言ZnO作为一种热稳定性较好的N型半导体材料，有着许多优点，在室温下ZnO的激子束缚能为60meV，禁带宽度3.37eV[1]。因此ZnO薄膜被广泛应用到各个领域，可以用来制造短波长发光材料[2]，各种压电、电声与声光器件[3-5]。ZnO薄膜还可以用作表面型气敏元件[6]，以及透明导电薄膜（主要用于太阳能电池）[7]。在透明导电薄膜研究方面，掺杂Al的ZnO薄膜（AZO）可以用来替代ITO薄膜。ITO薄膜（Sn掺杂In2O3）和AZO薄膜同为氧化物透明薄膜，但是AZO薄膜有着更大的发展前景。因为ZnO在自然界的储量丰富，价格低廉，而且具有的毒性较小[8]。2透明导电薄膜的一些基本性质ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料，其晶体结构有3种：纤锌矿型、闪锌矿型和盐岩矿型。一般情况下，ZnO是六角纤锌矿型，晶格常数a=0.3250nm，c=0.5205nm，熔点为1975℃，压电常数为11.9pm/V[9]。3制备方法制备ZnO薄膜的方法有很多种,几乎所有制备薄膜的方法都可用于制备ZnO薄膜。制备方法主要有物理法和化学法。物理法包括磁控溅射法、真空蒸发法、离子增强沉积、激光脉冲沉积等。化学法包括溶胶�凝胶法、喷雾热解法、化学气相沉积法、均相沉淀法等。3.1磁控溅射法磁控溅射是制备各种功能涂层的基本技术之一,其基本原理是低真空条件下的冷等离子体辉光放电。普通磁控溅射是在二极溅射的基础上发展起来的,根据磁控靶的形式可分为平面磁控溅射、圆柱靶磁控溅射以及枪磁控溅射[10]。磁控溅射法具有制备工艺简单、生产成本低、沉积温度低、重复性好、膜基结合力好等优点,是制备ZnO薄膜最常用的方法[11]。磁控溅射方法制备ZnO薄膜工艺中，很多因素会影响到最终生成的膜的性质。欧阳紫靛等[12]研究了生长温度和退火气氛对ZnO：Al薄膜的结果与性能的影响。他们发现随着生长温度的升高，ZnO:Al薄膜结晶质量和取向性得到改善，生长温度为400℃时达到最好。经退火处理后，ZnO:Al薄膜的结晶性能有很大提高，表面粗糙度有所改善。退火气氛对ZnO:Al薄膜的光学透过性能也有很大的影响，在Ar和真空退火下的ZnO:Al薄膜平均透过率最高能达到91%，并且带隙宽度增大；在O2、N2和空气等氧化性气氛下退火，薄膜的带隙宽度会有所减小。3.2溶胶—凝胶(Sol—Gel)法溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停地进行布朗运动的体系。溶胶凝胶法制备涂层的基本原理是：以金属醇盐或无机盐为前驱体，溶于溶剂(水或有机溶剂)中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的薄膜。Sol—Gel法有很多优点，可以制得一些用传统方法难以制备的材料，而且制品均匀性好，均匀度可达分子或原子尺度，可以大面积成膜。赵金博等人[13]研究了离子液体辅助Sol—Gel法制ZnO：Al薄膜中各个因素对生成薄膜的性能的影响。在他们的研究结果中，Al掺杂浓度和退火氛围对生成薄膜的性质都有影响，当Al掺杂浓度为1mol%时，薄膜电阻率最低，空气中退火达到1.4×102Ω·cm。随着Al掺杂浓度增加，薄膜颗粒越小，透过率降低。NH3还原气氛下退火能明显降低薄膜的电阻率。当Al掺杂浓度为1mol%时，在NH3气氛下550℃退火，薄膜的电阻率最小为4.7×10-2Ω·cm。3.3化学气相沉积法(CVD)化学气相沉积法(CVD)是一种或几种气态反应物包括易蒸发的凝聚态物质在蒸发后变成的气态反应物)在衬底表面发生化学反应而沉积成膜的工艺。反应物质是由金属载体化合物蒸气和气体载体所构成，沉积在基体上形成金属氧化物膜。CVD法具有沉积速率快、成膜质量较好、成本低廉等优点,还可以实现在分子水平控制掺杂、溶剂选择范围更广,甚至可以用水作为溶剂,这样可以有效减少对人员及环境的毒害和污染。秦秀娟等[14]采用气溶胶辅助化学气相沉积法在玻璃衬底上制备了Al掺杂ZnO(AZO)薄膜。研究了Al掺杂对ZnO薄膜结构及光电性能的影响。结果表明，制备的所有薄膜均具有纤锌矿结构，不具有沿c轴方向的择优取向,在可见光范围内，薄膜的平均透过率大于72%，光学禁带宽度随Al掺杂量的增加而变窄。4导电透明导电薄膜的应用现状ZnO薄膜具有良好的光透过性和导电性，基于这种性质使得它能与薄膜太阳能电池复合。ZnO薄膜可以优化薄膜太阳能电池的表面结构，提高光捕捉效率，从而提高太阳能电池的能量转化效率。Hupkes等[7]在近期的一项研究中将ZnO薄膜加载在各种不同类型的太阳能电池表面，发现能量转化效率都有不同程度的提高。薄膜太阳能电池特别是串联的微晶硅电池的转化效率不稳定，制约了薄膜太阳能电池的进一步发展。目前提出的一项解决方法是在串联电池中加入ZnO中间反射层，Bugnon等[15]的研究结果表面ZnO中间反射层可以在一定程度上提高效率，加载后电池的效率提高了约7%。ZnO是一种多功能材料，除了能用于太阳能电池领域外，还能用于气体检测。因为ZnO纳米颗粒有很高的表面活性和灵敏的光电性质，对周围环境的灵敏度较高。用ZnO制成的气体传感器可以检测三甲胺，氢气，二氧化碳和氧气的浓度。Yang等[16]的实验表明ZnO传感器对CO的灵敏度可以达到0.62Torr。5导电透明薄膜薄膜发展趋势在太阳能电池发展方面，随着太阳能电池向着第三代发展，太阳能电池的尺寸越来越小型化，但却导致了转化效率的下降。加载ZnO薄膜可以有效地解决这一问题，通过优化ZnO的结构可以为高效太阳能电池的发展铺平道路。在气体传感器发展方面，未来的发展方向一定是多种气体的复合传感器。这就要求ZnO要有更好的复合性质，能够和其他的一些金属化合物传感器如SnO2,ZnO,WO3,CuO和In2O3等更好的复合；或者可以对ZnO薄膜进行表面改性，掺杂一些过渡金属或者是贵金属元素。参考文献[1][1]CanyunZ.High-qualityorientedZnOfilmsgrownbysol–gelprocessassistedwithZnOseedlayer[J].JournalofPhysicsandChemistryofSolids.2010,71(3):364-369.[2][2]ChungaSM,HanbSH,SongcKH,etal.LuminescentpropertiesofCaTiO3:Prthin-filmphosphordepositedonZnO/ITO/glasssubstrate[J].JournalofLuminescence.2005,114:227-233.[3][3]KrishnamoorthyS,IliadisAA.PropertiesofhighsensitivityZnOsurfaceacousticwavesensorsonSiO2/(100)Sisubstrates[J].Solid-StateElectronics.2008,52:1710-1716.[4][4]ShaoZ,WenL,WuD,etal.AFManalysisofpiezoelectricnanogeneratorbasedonn+-diamond/n-ZnOheterojunction[J].AppliedSurfaceScience.2011,257(11):4919-4922.[5][5]AyouchiR,LeinenD,MartıA,etal.PreparationandcharacterizationoftransparentZnOthinfilmsobtainedbyspraypyrolysis[J].ThinSolidFilms.2003,426(1-2):68-77.[6][6]HsuehT,ChenY,ChangS,etal.ZnOnanowire-basedCOsensorspreparedonpatternedZnO:Ga/SiO2/Sitemplates[J].SensorsandActuatorsB:Chemical.2007,125(2):498-503.[7][7]ZhuH,HüpkesJ,BunteE,etal.NoveletchingmethodonhighrateZnO:Althinfilmsreactivelysputteredfromdualtubemetallictargetsforsilicon-basedsolarcells[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells.2011,95(3):964-968.[8][8]吕承瑞，王小平，王丽军，等.ZnO半导体薄膜的研究进展[J].材料导报.2008(S3):216-218.[9][9]刘长林，汪建华，熊礼威，等.ZnO薄膜的制备及p型掺杂研究进展[J].真空与低温.2009(2):63-69.[10][10]石永敬，龙思远，王杰，等.直流磁控溅射研究进展[J].材料导报.2008(1):65-69.[11][11]张承庆，胡小萍，朱景森，等.氩气压力对中频磁控溅射制备AZO薄膜性能的影响[J].金属功能材料.2011(4):14-17.[12][12]欧阳紫靛，刘芳洋，张治安，等.生长温度和退火气氛对ZnO:Al薄膜结构与性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程.2011(3):448-454.[13][13]离子液体辅助溶胶_凝胶法制备ZnO_Al透明导电薄膜及其光电性能研究[J].[14][14]秦秀娟，韩司慧智，赵琳，等.气溶胶辅助化学气相沉积制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜[J].无机材料学报.2011(6):607-612.[15][15]BugnonG,SöderströmT,NicolayS,etal.LPCVDZnO-basedintermediatereflectorformicromorphtandemsolarcells[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells.2011,95(8):2161-2166.[16][16]YangM,WangD,PengL,etal.SurfacephotocurrentgassensorwithpropertiesdependentonRu(dcbpy)2(NCS)2-sensitizedZnOnanoparticles[J].SensorsandActuatorsB:Chemical.2006,117(1):80-85.