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ITO透明导电薄膜的制备及光电特性研究摘要：以氯化铟和氯化锡为前驱物，采用溶胶-凝胶法在玻璃基片上制备了ITO薄膜。研究了掺锡浓度、热处理温度和热处理时间等工艺条件对ITO薄膜光电特性的影响。制备的ITO薄膜的方阻为300Ω／□，可见光平均透过率为８０％，电阻率为４×１０－３Ω·ｃｍ，其光电特性已达到了ＴＮ－ＬＣＤ透明电极的要求。关键词：ITO薄膜；溶胶－凝胶法；方阻；透光率；液晶显示器1引言透明导电氧化物薄膜主要包括Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｂ和Ｃｄ的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性。透明导电薄膜以掺锡氧化铟（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ，ＩＴＯ）为代表，广泛地应用于平板显示、太阳能电池、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。平板显示器市场广阔，被认为具有比半导体产业更高的增长率，特别是液晶显示器（ＬＣＤ）具有体积小、重量轻、能耗低、无辐射、无闪烁、抗电磁干扰等特点，广泛应用于笔记本电脑、台式电脑、各类监视器、数字彩电和手机等电子产品，以全球显示器市场来看，ＬＣＤ产值远高于其他显示器。透明导电薄膜是简单液晶显示器的三大主要材料之一，随着ＬＣＤ产业的发展，市场对ＩＴＯ透明导电膜的需求也随之急剧增大。ＩＴＯ薄膜的制备方法多样，研究较多的制备方法为磁控溅射法，另外还有真空蒸发法、化学气相沉积法、喷涂法、溶胶－凝胶法等方法。其中，溶胶－凝胶法的优点是生产设备简单、工艺过程温度低，易实现制备多组元且掺杂均匀的材料。采用溶胶－凝胶法制备ＩＴＯ薄膜多以铟、锡的有机醇盐为前驱物。以铟、锡的无机盐为前驱物，采用溶胶－凝胶法制备的ＩＴＯ薄膜，比以有机醇盐为前驱物的溶胶－凝胶法制备成本低，该方法制备ＩＴＯ薄膜具有生产设备简单、成本低的优势。本文以氯化铟和氯化锡为前驱物，采用溶胶－凝胶法制备ＩＴＯ薄膜，探索以铟、锡的无机盐为前驱物制备ＩＴＯ薄膜的方法。2实验2.1溶液的配制按一定比例称取适量前驱物（ＩｎＣｌ３·４Ｈ２Ｏ和ＳｎＣｌ４·５Ｈ２Ｏ）溶于乙醇中，并加入适量的蒸馏水，取Ｒ（水与钢锡盐的摩尔比）为２５，经过搅拌配成均相溶液，将均相溶液在２０℃下静置４８ｈ后形成透明溶胶。2.2ITO薄膜的制备将载玻片分别用洗洁精溶液、稀盐酸溶液进行超声清洗，再用去离子水多次超声清洗，干燥后备用。制膜时采用甩膜法，甩膜速率为１５００ｒ／ｍｉｎ，甩膜时间２０～３０ｓ，甩膜后的载玻片置于管式炉内进行热处理，在玻璃基体上获得ＩＴＯ薄膜。由于经一遍甩膜、热处理所制备的ＩＴＯ薄膜厚度较薄，电子在界面上发生漫反射对薄膜导电能力影响较大，采用在一块玻璃基板上多次甩膜、热处理的方法制备ＩＴＯ薄膜。实验中采用在一块玻璃基板上经过６遍甩膜和热处理的方法制备ＩＴＯ薄膜。2.3ITO薄膜的分析ＩＴＯ薄膜的方阻由四探针法测量，透光率由平面光栅单色仪通过测量载玻片制膜前后的透光率的比值求得，ＩＴＯ薄膜厚度由质量法求得。3实验结果与讨论3.1掺杂浓度对ITO薄膜光电特性的影响将掺锡浓度不同的溶胶在玻璃基板上分别甩膜，然后将甩膜后的基板在４５０℃热处理１５ｍｉｎ，制备掺锡浓度不同的ＩＴＯ薄膜。图１为掺杂浓度对ＩＴＯ薄膜方阻的影响关系曲线。掺锡浓度较小和较大时ＩＴＯ薄膜方阻均较大，掺锡浓度在２０％附近ＩＴＯ薄膜方阻最小。这是由于通过锡离子掺杂，一方面会形成电子施主，另一方面又会引起晶格畸变，产生陷阱能级，形成电子复合中心。锡离子掺杂较少，电子浓度小，方阻较大；锡离子掺杂过度，陷阱态密度大，使电子复合增多，方阻较大；适度的锡离子掺杂提供了更多的电子，提高ＩＴＯ薄膜的电导率，方阻较小。此实验结论与范志新等人得出的有关溶胶－凝胶法制备ＩＴＯ薄膜的最佳掺杂量的理论结果ω（Ｓｎ）＝１５．７９％基本吻合。图２为掺杂浓度对ＩＴＯ薄膜透光率（λ＝５５０ｎｍ）的影响关系曲线。ＩＴＯ薄膜透光率随着锡掺杂浓度增加，逐渐增大，ＩＴＯ薄膜中锡离子含量的增加有利于提高ＩＴＯ薄膜的透光率。3.2热处理温度对ITO薄膜光电特性的影响将掺锡浓度为２０％（质量分数）的溶胶在玻璃基板上甩膜，然后将甩膜后的基板分别在不同的热处理温度下热处理１５ｍｉｎ，制备不同热处理温度条件下的ＩＴＯ薄膜。图３为热处理温度对ＩＴＯ薄膜的方阻影响关系曲线。热处理温度较低时ＩＴＯ薄膜方阻较高，随着热处理温度的增加ＩＴＯ薄膜的方阻直线下降，热处理温度达到４５０℃时ＩＴＯ薄膜方阻降为最低，热处理温度高于４５０℃后ＩＴＯ薄膜方阻由减小转为增加。热处理温度较低时，ＩＴＯ薄膜晶粒较小，方阻较大；随着热处理温度的升高，ＩＴＯ薄膜晶粒增大，有利于方阻的下降；当热处理温度接近５００℃附近时晶格畸变严重，抵消了晶粒增大有利于方阻下降的影响，导致热处理温度超过４５０℃后，ＩＴＯ薄膜方阻转为增加。图４为热处理温度对ＩＴＯ薄膜透光率（λ＝５５０ｎｍ）的影响关系曲线。热处理温度对透光率的影响在热处理温度为４７５℃之前并不大，当热处理温度高于４７５℃之后透光率随热处理温度的增高迅速下降。3.3热处理时间对ITO薄膜光电特性的影响将掺锡浓度为２０％（质量分数）的溶胶在玻璃基板上甩膜，然后在热处理温度为４５０℃条件下，分别对甩膜后的基板进行不同时间的热处理，制备不同热处理时间条件下的ＩＴＯ薄膜。图５为热处理时间对ＩＴＯ薄膜方阻的影响关系曲线。热处理时间较短时ＩＴＯ薄膜方阻较大，随着热处理时间的增加，ＩＴＯ薄膜方阻迅速减小，当热处理时间超过１５ｍｉｎ后，随着热处理时间的增加，ＩＴＯ薄膜方阻缓慢上升。热处理时间较短时，ＩＴＯ薄膜晶粒较小，方阻较大；随着热处理时间的增加，ＩＴＯ薄膜晶粒变大，方阻迅速下降；当热处理时间超过１５ｍｉｎ后，随着热处理时间的增加，ＩＴＯ薄膜晶粒尺寸变化不大，方阻变化不大。图６为热处理时间对ＩＴＯ薄膜透光率（λ＝５５０ｎｍ）的影响关系曲线。热处理时间较短时ＩＴＯ薄膜透光率较高，随着热处理时间的增加，ＩＴＯ薄膜透光率随之减小，当热处理时间超过１５ｍｉｎ后，随着热处理时间的增加，ＩＴＯ薄膜的透光率下降缓慢，热处理时间超过３０ｍｉｎ后ＩＴＯ薄膜的透光率基本不随着热处理时间的增加而变化。小结影响ＩＴＯ薄膜光电特性的工艺条件主要有掺锡浓度、热处理温度和热处理时间，在掺锡浓度为２０％（质量分数），热处理温度为４５０℃，热处理时间为１５ｍｉｎ条件下制备的ＩＴＯ薄膜的光电特性较好。采用上述工艺制备的ＩＴＯ薄膜的方阻约为３００Ω／□，可见光平均透过率为８０％，膜厚约为１３０ｎｍ，电阻率约为４×１０－３Ω·ｃｍ。