ZnO基复合薄膜的磁控制备及其特性研究

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氧化锌基薄膜材料(ZnO)由于其较为优异的光电性能而被作为一类新的透明导电氧化物材料。在对ZnO材料实验研究的基础上,已经将ZnO薄膜材料应用在太阳能电池、液晶显示器、薄膜晶体管等领域。本学位论文中,利用磁控溅射技术在玻璃基底上制备Mg-Al-Ga:ZnO薄膜(MAGZ)以及由金属Cu和MAGZ构成的复合薄膜。通过使用X射线衍射仪(XRD)对薄膜材料的结构进行测定,利用原子力显微镜(AFM)、场发射电子显微镜(SEM)观察样品的形貌,紫外可见光分光光度计以及霍尔效应测试仪分别对薄膜的光学和电学性能进行了测试表征。论文的主要内容和研究结论如下:(1)利用磁控溅射技术在玻璃衬底上成功制备出不同厚度的MAGZ薄膜。在XRD图谱中,只观察到ZnO六角纤锌矿结构的(002)衍射峰,其衍射峰的强度随着薄膜厚度的增加而增强,对应于(002)峰的2θ角度逐渐增加,这是由于薄膜内密勒指数为(002)的平面间距和残余应力的降低所导致的。通过scherrer公式计算得到样品的平均晶粒尺寸约为30 nm,SEM结果表明晶粒均为分布在样品表面,且所有样品的平均透过率达到了85%以上。当MAGZ薄膜材料厚度为250 nm左右时,样品的电阻率、载流子浓度以及迁移率分别为8.37×10-3Ω·cm、1.12×10-20cm-3和6.41 cm~2V-1s-1。通过变温霍尔效应的测试结果表明MAGZ薄膜表现出经典的半导体行为。(2)采用磁控溅射的方法制备了由MAGZ和金属Cu组成的“三明治”复合结构薄膜。对XRD测试结果的分析发现,Cu层的(111)衍射峰的峰强随着样品厚度的增加而不断变强,同时对应于ZnO的衍射峰的强度明显降低,表明Cu对ZnO材料的生长具有抑制作用。电学性能测试结果表明,MAGZ/Cu/MAGZ复合薄膜的电阻率得到了明显的降低。在Cu层厚度从3 nm增加到11 nm的过程中,Cu膜的连续性是复合薄膜电阻的主要影响因素,Cu层的生长遵循岛状生长模式,逐渐形成连续的薄膜,从而导致复合薄膜的电阻率降低到1.24×10-4Ω·cm;当Cu层厚度继续增加到25 nm时,Cu层形成连续完整的薄膜,其电阻率则缓慢降低到7.31×10-5Ω·cm。对于材料的光学性能而言,Cu层厚度的增加导致复合薄膜的透过率发生显著降低,其平均透过率由86%下降到到35%,这可能是由于Cu层对光波的吸收和反射造成的。
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