第十三届全国表面工程大会暨第十二届全国青年表面工程论坛

179 / 2020-09-20 11:03:14

SnOx透明导电薄膜的制备及其红外光电性能研究

透明导电,氧化锡,原子层沉积,高功率脉冲,等离子

透明导电氧化物(TCOs)是被广泛应用的一类功能材料，具有高光学透明度和导电性，如发光二极管(LED)。它们被用于能源应用、太阳能电池、光催化、气体传感和智能窗等，特别是基于In₂O₃、SnO₂、ZnO、掺杂锌、锡或铟氧化物的半导体，由于其电子特性和离子无序性，往往是本征n型或容易n掺杂。二氧化锡(SnO₂)是一种低成本、无毒、含量丰富的材料，其光学和电学性能可与氧化铟相媲美，已被广泛研究。最近，基于SnO₂的材料，如ATO(Sb掺杂SnO₂)和FTO(F掺杂SnO₂)，在理论和实验研究中引起了极大的关注。由于Sn阳离子具有Sn⁴⁺和Sn²⁺两种不同的氧化态，因此氧化锡可以作为两种不同的化合物，即一氧化锡（SnO）和二氧化锡（SnO₂）。SnO₂是一种n型半导体材料，载流子浓度高，电阻率低。低电阻率和高迁移率来自于Sn阳离子轨道的球形对称性，这使得电子可以脱位。脱位的电子提供了电子转移的途径，使电子传输速度加快。

氧化锡薄膜可以使用多种方法沉积，包括脉冲激光沉积，溅射和化学气相沉积。然而，越来越多的精密光电设备和关键应用要求精确控制薄膜成分、低沉积温度和均匀的薄膜厚度。与其他技术相比，原子层沉积(ALD)可以生长出均匀、高质量的薄膜，并且可以精确控制薄膜的厚度和成分。

通过等离子体增强原子层沉积（PEALD）制备了混合相SnOx薄膜。在沉积后增加逐层Ar等离子体处理步骤，从Ar等离子体处理功率、时间和薄膜的结构方面讨论了相关机理,研究了等离子体功率和等离子体处理时间对薄膜生长、光学和电学性能的影响。

使用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）及与直流电源耦合的方式制备了SnO₂透明导电薄膜，调控脉冲功率、占空比、氧气气氛比例，通过朗缪尔探针监控了不同状态下溅射离子的能量状态，用X射线衍射分析、辉光放电光谱和扫描电子显微镜对膜层的结构进行了分析。采用霍尔效应测试仪和紫外可见分光光度计以及傅里叶红外光谱进行光电性能测试，结合理论计算对等离子状态与膜层结构及光电性能的关系进行探讨，研究了膜层的生长和透明导电性能。