【开题报告】ZnO-SnO2透明导电薄膜光电特性研究

开题报告

电气工程与自动化

ZnO-SnO2透明导电薄膜光电特性研究

一、选题的背景与意义：

随着电子信息产业的迅猛发展，透明导电薄膜材料被广泛应用于半导体集成电路、平面显示器、抗静电涂层等诸多领域，市场规模巨大。

1. 透明导电薄膜的概述

自然界中往往透明的物质不导电,如玻璃、水晶、水等，导电的或者说导电性好的物质往往又不透明,如金属材料、石墨等。但是在许多场合恰恰需要某一种物体既导电又透明,例如液晶显示器、等离子体显示器等平板显示器和太阳能电池光电板中的电极材料就是需要既导电又透明的物质。透明导电薄膜是薄膜材料科学中最重要的领域之一，它的基本特性是在可见光范围内，具有低电阻率，高透射率，也就是说，它是一种既有高的导电性，又对可见光有很好的透光性，而对红外光有较高反射性的薄膜。正是因为它优异的光电性能，它被广泛的应用在各种光电器件中，例如：平面液晶显示器（LCD），太阳能电池，节能视窗，汽车、飞机的挡风玻璃等。自从1907年Badeker制作出CdO透明导电薄膜以后，人们先后研制出了In2O3，SnO2，ZnO等为基体的透明导电薄膜。目前世界研究最多的是掺锡In2O3（简称ITO）透明导电薄膜，掺铝ZnO（简称AZO）透明导电薄膜。同时，人们还开发了CdInO4、Cd2SnO4、

Zn2SnO4等多元透明氧化物薄膜。

2. SnO2基薄膜

SnO2（Tin oxide，简称TO）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度Eg=3.6eV，n 型半导体。本征SnO2薄膜导电性很差，因而得到广泛应用的是掺杂的SnO2薄膜。对于SnO2来说，五价元素的掺杂均能在禁带中形成浅施主能级，从而大大改善薄膜的导电性能。目前应用最多、应用最广的是掺氟二氧化锡（SnO2:F，简称FTO）薄膜和掺锑二氧化锡（SnO2:Sb,简称ATO）薄膜。SnO2:Sb薄膜中的Sb通常以替代原子的形式替代Sn的位置。掺杂Sb浓度不同，电阻率不同，最佳Sb浓度为0.4%-3%（mol）的范围对应电阻率为10-3Ω·cm，可见光透过率在80%-90%。SnO2:F薄膜热稳定性好、化学稳定性好、硬度高、生产设备简单、工艺周期短、原材料价格廉价、生产成本

低，用热解法制得的FTO薄膜电阻率约为6×10-4Ω·cm,可见光范围内的透过率在80%以上。

3. ZnO基薄膜

ZnO是一类重要的宽禁带Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料，结构为六方纤锌矿型，属n型氧化物半导体，其直接禁带宽度为3.3eV，对可见光的透明性好。ZnO薄膜原料丰富、成本廉价、性能优异，成为国外科学工作者研究的热点。作为Ⅱ—Ⅵ族化合物的氧化锌，Ⅲ族元素和Ⅶ族元素原子可以占据Ⅱ族和Ⅵ族元素的位置而起施主的作用。在ZnO中掺入Ga、Al、In或F离子能改善ZnO薄膜的光学和电学性能。其中ZnO:Al 的研究最广泛和最深入，目前已经在薄膜太阳能电池中取得了部分应用。许多实验研究发现Al2O3的含量为2%-3%（wt）时，对提高导电效率最好，ZnO靶材中掺入2%（wt）的Al2O3，能使膜的电阻率降低至2×10-4Ω·cm，可见光透过率在80%以上。4. ZnO-SnO2薄膜以及课题研究意义

目前，ITO膜、ZnO:Al膜和SnO2:F膜是最常用的氧化物薄膜。然而ITO透明导电薄膜虽然有优良的光电性能，但是却存在铟扩散导致器件性能衰减问题；与ITO和SnO2相比，ZnO在氢等离子体中具有更好的稳定性，但ZnO存在表面和晶粒间界氧吸附导致电学性能降低的问题；SnO2存在难以刻蚀问题。上述种种原因，限制了他们的应用范围。近年来随着对新材料的不断探索，出现了两元氧化物甚至多元氧化物材料。其中Zn-Sn-O膜作为一种两元氧化物材料尤其受到关注。本课题研究ZnO-SnO2，期望得到能够同时具备ZnO膜和SnO2膜的优点而作为一种全天候透明导电材料，性能优良的ZnO-SnO2将有更加广阔的发展前景。锡酸锌有两种晶相，即尖晶石结构的Zn2SnO4和钙钛矿结构的ZnSnO3，并且Zn2SnO4的电阻率大于ZnSnO3的电阻率。采用磁控溅射法在400摄氏度的衬底温度下制备的Zn2SnO4薄膜，电阻率为5×10-

2Ω·cm，可见光平均透过率大于80%。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：

1. 基本内容

利用水热法制备不同比例ZnO-SnO2的二元纳米粉体，表征ZnO-SnO2的微结构及相应粉体和薄膜的光电特性，探索用该湿化学方法制备的不同比例ZnO-SnO2在透明导电薄膜中的应用。

2. 拟解决的主要问题

a) 探索不同比例的ZnO和SnO2对透明导电薄膜的光电特性的影响，探寻ZnO和

SnO2的最佳配比；

b) 分析纳米产物中的各元素的表面化学特性；

制备不同比例ZnO-SnO2的二元纳米粉体，研究各组分不同含量、pH值、反应条件等对产物结晶状态、形貌和性能的影响。

三、研究的方法与技术路线：

本课题探究ZnO-SnO2的光电特性，首先应当制作出不同比例的ZnO-SnO2的二元氧化物的纳米粉体，然后测量其光电特性，具体指透光率和电阻率，根据结果分析得到最佳ZnO和SnO2的配比。

1. 制作出ZnO-SnO2的二元纳米粉体

本课题将用水热法制作ZnO-SnO2的二元纳米粉体，分成两个步骤完成，如图（1）所示。

a) Zn2+和Sn2+沉淀的制备

将一定的二水合乙酸锌溶于乙二醇甲醚中，置于水中用磁力搅拌器搅拌，直至整个分散系呈均匀透明的溶液，加入NaOH沉淀剂，得到Zn2+的沉淀体；将

SnCl2·2H2O、无水乙醇中和去离子水以一定比例配成均匀溶液，放在磁力搅拌器上搅拌回流，直到整个分散系呈透明、均匀稳定为止，然后滴加沉淀剂NaOH，得到Sn2+的沉淀。

b) ZnO-SnO2的二元纳米粉体的制备

将得到的沉淀用磁力搅拌器搅拌，用水热法处理后冷却，洗涤，干燥即可得到ZnO-SnO2的二元纳米粉体。