文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
AZO透明导电氧化物靶材及其薄膜制备的研究
姓名:孙宜华
申请学位级别:博士
专业:材料学
指导教师:熊惟皓;李晨辉
20090524
华中科技大学博士学位论文
摘要
近年来随着液晶显示、触控面板、有机发光显示、太阳能电池等的发展,使得
透明导电薄膜成为关键性材料之一。目前,常用的锡掺杂氧化铟(ITO)透明导电薄膜
材料中的金属铟属于稀缺资源,开发具有透光、导电特性的“非铟”材料已成为研
究的热点之一。由于氧化锌基(ZnO)透明导电薄膜价格较为低廉,且不具毒性,在发
展上具有相当的优异性。因此,对于氧化锌薄膜材料及其制备技术的研发,引起了
大家的广泛重视。为此,本论文从事了如下方面的研究:采用胶态成型加常压烧结
的低成本路线开发研制超高密度的ZnO基陶瓷靶材;并采用所研制的超高密度的ZnO
基陶瓷靶材进行了磁控溅射镀膜的研究;研究了不同工艺参数对薄膜性能的影响;
并尝试研究制备了双层透明导电薄膜。主要结论如下:
通过Zeta电位、粘度、沉降等测试,研究了添加剂含量、pH值、固含量和球
磨时间对ZnO-Al2O3混合粉体水基悬浮液的稳定性、流动性等的影响。实验结果表
明:添加聚丙烯酸(PAA)后,ZnO和Al2O3在pH8~
位,Zeta电位均低于–45mV。与单独添加PAA相比,同时添加聚乙二醇(PEG),
ZnO和Al2O3的Zeta电位没有明显改变。%的PAA为饱和吸附量。PAA为饱和
吸附量时,悬浮液在pH8~、稳定性较好。当pH值为9左右, PAA
%时,悬浮液粘度最低、稳定性最好。可制得固相体积分数55%的
悬浮液。聚乙二醇添加量的增加,使悬浮液粘度增加、稳定性下降。悬浮体的粘
度随固含量的增加呈指数关系增大。球磨时间以40h为佳。XRD分析显示a-Al2O3
颗粒均匀而稳定的分布在ZnO颗粒之间。
通过优化ZnO-Al2O3水基悬浮液的工艺参数,注浆成型制备致密的生坯,最终
烧结制得超高密度的ZnO-Al2O3复合陶瓷。研究了添加剂含量对生坯和烧结体的密
度和强度的影响。 wt% wt%的粘结剂PEG分散,在
pH9、固含量30vol%的条件下制备ZnO-Al2O3混合粉体水基悬浮液,注浆成型制得
%的均匀而致密的生坯,ZnO-Al2O3混合物生坯中颗粒均匀而致
密。%的PAA为ZnO-Al2O3混合粉体的饱和吸附量从而形成了分散性好的
料浆。另一方面,% ,有利于
后续过程。在pH9、%的工艺条件下制得的生坯经1 400
°C 保温2h无压烧结获得几乎全致密的烧结体(%)。%的
PAA(PAA轻微过剩),促进了烧结体的强度和密度的提高。烧结过程中a-Al2O3
与ZnO的反应生成物为ZnAl2O4的尖晶石相。显微分析显示其显微结构均匀,没有
异常晶粒长大和其它缺陷,铝元素均匀分布。
I
华中科技大学博士学位论文
在薄膜的制备中,基底温度的提高对于 AZO 薄膜导电性和透过率的提高有明显
的促进作用。适当提高基底温度,增加了吸附原子的迁移能,对于薄膜结晶质量、
择优取向和掺杂有利。但玻璃基底温度不宜超过 450℃。基底温度达到 40℃时,薄
膜的电阻率达到 10-4 量级,透过率到达 90%以上。AZO 薄膜的光学带宽均大于未掺
杂 ZnO 薄膜的带宽()是由 Burstein-Moss 效应引起的。随着薄膜厚度的增加,
晶粒尺寸增大、晶粒取向性变好、结晶质量变好,有利于电阻率的降低。可见光透
过率随厚度增加逐渐下降,符合 Lambert 定律。当薄膜厚度较薄时,随着薄膜厚度
的增加光学带宽减小是由量子尺寸效应引起的。薄膜的电阻率随靶基距的增加而增
大。靶基距对薄膜透过率的影响不是十分明显,透过率的改变主要是由薄膜的厚度
效应引起的。
AZO 薄膜电阻率随溅射功率的增加在范围内呈单调下降趋势。溅射功率
的提高有利于结晶质量的提高和 Al的掺杂。随溅射功率的增大,溅射效率得到提高,
薄膜厚度增加。透过率随溅射功率的增大而下降是由于薄膜厚度效应引起的。试验
中未出现 180W 处电阻率最小的拐点,与本文采用了超高密度的溅射靶材有关。工
作气压为 ~ Pa 的范围内,在不同的溅射功率下薄膜的电阻率最低值出现在一个
适当的工作气压下,是由溅射原子的平