1、毕业设计文献综述电气工程与自动化ZNOSNO2透明导电薄膜光电特性研究摘要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。ZNOSNO2膜能够同时具有ZNO膜的稳定性和SNO2膜优良的电学性能而作为一种全天候的透明导电材料，性能优良的ZNOSNO2复合透明导电材料将有更加广阔的发展前景。关键词透明导电材料；氧化锌；氧化锡；折光率；电阻率一、课题研究的背景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、
2、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1。透明导电膜有很多种，但是氧化物膜占主导地位，透明导电膜把物质的透
3、明性和导电性这一矛盾的双方统一起来，透明导电膜以其接近金属的导电率，可见光范围内的高透光率，广泛应用于太阳能电池，显示器，气敏元件等领域。比如ITO薄膜以其优异的光电性能，在薄膜晶体管制造、平板液晶显示、太阳电池透明电极等方面有广泛应用，并有着一定的市场规模。经过近一个世纪的发展、目前透明导电膜主要有金属膜系、TCO、其他化合物膜系、高分子膜系等。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。ZNOSNO2是一种金属氧化物膜，有许多文献报道，因其资源丰富、价
4、格便宜、无毒进一步研究的空间大，有望替代ITO薄膜，从而解决铟资源短缺的困扰。二、ZNOSNO2复合膜的发展现状1SNO2基薄膜SNO2（TINOXIDE，简称TO）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度EG36EV，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（SNO2F，简称FTO）薄膜和掺锑二氧化锡（SNO2SB,简称ATO）薄膜。SNO2SB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
5、为043（MOL）的范围对应电阻率为103CM，可见光透过率在8090。SNO2F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6104CM,可见光范围内的透过率在80以上。2ZNO基薄膜ZNO是一类重要的宽禁带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33EV，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。作为族化合物的氧化锌，族元素和族元素原子可以占据族和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
6、膜的光学和电学性能2。其中ZNOAL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。3ZNOSNO2复合透明导电薄膜图一SNO2膜，ZNO膜，ZNOSNO2复合膜的扫描电镜图图一为SNO2膜，ZNO膜和ZNOSNO2复合膜的SEM图，由图一可以看出SNO2本身具有绒面结构，表面比较粗糙。ZNO的表面比较平整，晶粒比SNO2小。ZNOSNO2的表面也有绒面结构，但是比SNO2平整，大晶粒上面也有二三十纳米的ZNO小晶粒，ZNO晶粒填补了SNO2表面绒面结构的空隙3。目前，ITO膜、ZNOAL膜和SNO2F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
7、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ZNSNO膜作为一种两元氧化物材料尤其受到关注。图二不同锌锡配比的XRD衍射图谱图二为500摄氏度条件下，锌锡比为10/12、9/12、6/12样品的X射线衍射图谱，在衍射角为2640、3376和5164位置出现三个较强的衍射峰，分别别对应SNO2（110）、（101）和（211）晶面。进一步比较不同锌锡配比下所得样品
8、的XRD图谱可以发现，随着锌含量的增加，各个衍射峰的强度逐渐增强，半高度减小，晶粒逐渐发育完全，薄膜的结晶度越来越高，锌含量对薄膜的结晶质量影响很大4。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5102CM，可见光平均透过率大于805。4ZNOSNO2复合膜的制备方法目前ZNOSNO2复合膜的制备方法多种多样，溶胶乳化法、化学气相蒸淀法、射频磁控溅射6、等离子体增强化学气相淀积、溶胶凝胶法7、沉淀法化学沉淀法、均一沉淀法、共沉淀法8、水热
9、合成法9等方法。虽然方法有很多，但是由于条件控制，实验设备，产物纯度，分散性、粒度控制等诸多因素的影响，因此水热合成法由于其突出的优势脱颖而出，倍受国内外研究学者重视。水热合成是指温度为1001000、压力为1MPA1GPA条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。在亚临界和超临界水热条件下,由于反应处于分子水平,反应性提高,因而水热反应可以替代某些高温固相反应。又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以创造出其它方法无法制备的新化合物和新材料。5ZNOSNO2复合膜研究过程中的不利因素尽管ZNOSNO2复合膜具有很多优点，但是也存在一定的缺点，如在掺杂方面，
10、虽然掺杂的二氧化锡表现出比纯的二氧化锡更高的灵敏度，但是导电性却有所降低，另外，复合膜虽然比纯净的氧化锌有更好的多孔微观结构，但是稳定性却有所不如10。为了找到合适的方法改善复合膜的性能，发挥其主要优势，克服不利因素，研究人员作了许多工作，主要有（1）、掺杂其它添加剂或催化剂。（2）、改进制备方法。（3）、控制微粒结构来获得更好的稳定性。（4）、改变掺杂比例来获得更好的光电特性。（5）、控制工作温度影响。三、总结通过对大量相关文献的调研了解到，复合材料表现出比单一纯材料更好的气敏性11。利用水热法制备ZNOSNO2复合膜过程中，选用合适的溶液浓度、反应温度和时间、PH值等工艺参数，添加分散剂及
11、采用恰当的干燥条件等对合成的粉末样品微观结构、光电特性和气敏性能都可能产生影响。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等测试手段可以对纳米材料进行物相、形貌、结构、粒径等方面的表征。参考文献1徐慢,夏冬林,赵修建透明导电氧化物薄膜材料及其制备技术研究进展J材料导报,2006,203123152王敏,蒙继龙透明导电氧化物薄膜的研究进展J表面技术,2003,321573高哲,卢景霄,陈庆东,刘玉芬,王子健,陈永生ZNO/SNO2复合透明导电膜性能的研究J人工晶体学报,2008,3724174214王峰,张志勇,闫军锋,李林,负江妮ZNOSNO2透明导电薄膜的制备及性能研究J光子学报,2009,3812
12、312131255黄树来,马瑾,刘晓梅,马洪磊,孙征,张德恒ZNOSNO2透明导电膜的低温制备及性质J半导体学报,2004,25156596黄树来,马瑾,计峰,余旭浒,王玉恒,马洪磊磁控溅射有机衬底ZNOSNO2透明导电膜的结构和光电特性J功能材料,2004,3556306327李怀祥,秦洪武,周宏伟,崔洪泰,董川溶胶凝胶法制备ZNOSNO2复合交替透明导电薄膜英文版J纳米加工工艺,2009,6134408MPEITEADO,YIGLESIAS,JDEFRUTOS,JFFERNANDEZ,ACCABALLEROPREPARATIONOFZNOSNO2CERAMICMATERIALSBYACOP
13、RECIPITATIONMETHODJBOLSOCESPCERAMV,2006,4531581629MARIOAALPUCHEAVILESANDYIYINGWUPHOTOELECTROCHEMICALSTUDYOFTHEBANDSTRUCTUREOFZN2SNO4PREPAREDBYTHEHYDROTHERMALMETHODJJAMCHEMSOC,2009,13193216322410YHAYASHI,KKONDO,KMURAI,TMORIGA,INAKABAYASHI,HFUKUMOTO,KTOMINAGAZNOSNO2TRANSPARENTCONDUCTIVEFILMSDEPOSITEDBYOPPOSEDTARGETSPUTTERINGSYSTEMOFZNOANDSNO2TARGETSJVACUUM,2004,7460761111JIHAENGYU,GYEONGMANCHOIELECTRICALANDCOGASSENSINGPROPERTIESOFZNOSNO2COMPOSITESJSENSORSANDACTUATORSB,1998,52251256
