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透明导电氧化物(TCO)作为一种重要的光电子信息材料,在制造发光器件、薄膜太阳能电池、表面声波器件、传感器、平板液晶显示器和红外反射器等领域得到了广泛的应用。在这类材料中,本征氧化锌(ZnO)是一种宽禁带(3.37 eV)的n型半导体材料,易产生缺陷和进行杂质掺杂,相对于铟锡氧化物(ITO)和SnO2而言,具有原材料资源丰富、价格低廉、沉积温度相对较低和在氢等离子体环境中稳定性好等优点,是一种最有希望替代ITO的材料。 要实现ZnO基透明导电薄膜在这些光电器件中的广泛应用,首先必须得到性能良好的n型薄膜材料。ZnO的n型掺杂主要集中在ⅢA族元素(如Al、Ga、In),而理论研究表明Ti也是一种良好的n型掺杂元素。目前,有很多种方法可以用来制备Ti掺杂的ZnO薄膜,例如原子层沉积(ALD)、化学浴沉积(CBD)、磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积(PLD)等。在这些制备方法中,脉冲激光沉积有许多优势:首先脉冲激光沉积技术制备的薄膜,具有良好的靶、膜成分一致性,我们可以较容易的控制薄膜的成分;其次,通过脉冲激光产生的烧蚀物具有较高的能量,可以实现在较低温度下结晶,这对于在柔性衬底上制备结晶氧化物薄膜非常有利,而晶态薄膜的导电性通常会优于非晶薄膜。 本文利用脉冲激光沉积技术,以TiO2-ZnO混合陶瓷作为靶材,在玻璃衬底上制备了TZO透明导电薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、霍尔测试系统、紫外-可见分光光度计以及表面轮廓仪等测试手段,研究了Ti含量、衬底温度、氧气压强和沉积时间对薄膜结构、成分、表面形貌和光电性能的影响。 研究发现,所有的TZO薄膜都是六方纤锌矿结构的多晶膜,且具有c轴择优取向。当靶材中的Ti含量为1 at%,衬底温度为200℃,氧气压强为2.5 Pa,沉积时间为1.5 h时,制备的TZO薄膜具有最佳的光电性能:电阻率为6.34×10-3Ω·cm,在可见光范围内的平均透过率为93.3%。