□翟旺建，周兆彪

（1. 玉林師范學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣西 玉林 537000；2. 富川葛坡初級(jí)中學(xué) 廣西 賀州 542703）

室溫濺射摻鋁氧化鋅薄膜的微結(jié)構(gòu)及其光學(xué)性能

□翟旺建1，周兆彪2

（1. 玉林師范學(xué)院 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣西 玉林 537000；2. 富川葛坡初級(jí)中學(xué) 廣西 賀州 542703）

以硝酸鋁晶體和氧化鋅粉末為原料，Al和Zn摩爾比為3:100，制備了相對(duì)密度為96%、電阻率為2.5×10-2Ω·cm的摻鋁氧化鋅（AZO）陶瓷靶材. 采用直流磁控濺射法，室溫條件下，在玻璃基片上制備了AZO透明導(dǎo)電薄膜. 利用掃描電鏡和X射線衍射分析了薄膜的微結(jié)構(gòu). 薄膜晶粒尺寸大，分布均勻，可見光透過率為89.92%，光學(xué)帶隙Eg為2.18 eV，Urbach能量Eu為3.9 eV，折射率n隨波長(zhǎng)的增大，先減小后增大，最后趨于穩(wěn)定.

摻鋁氧化鋅；室溫；直流磁控濺射；折射率

透明導(dǎo)電薄膜主要用于液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器（PDP）、觸摸屏（TouchPanel）、太陽(yáng)能電池以及其他光電器件的窗口材料.常見的透明導(dǎo)電薄膜有摻錫氧化銦（ITO）、摻鋁氧化鋅(AZO)等[1，2].由于氧化鋅無(wú)毒，自然界中鋁儲(chǔ)量豐富，AZO成為近年來透明導(dǎo)電薄膜研究的熱點(diǎn).尤其日本和韓國(guó)在AZO薄膜的低溫濺射技術(shù)、薄膜生長(zhǎng)機(jī)理方面進(jìn)行了深入的研究[3,4].

為提高Al摻雜的均勻性，制備透光率高、表面粗糙度低的AZO薄膜，筆者以硝酸鋁晶體和氧化鋅粉末為原料，制備出高致密度、高導(dǎo)電性的AZO陶瓷靶材，并用所制備的靶材在室溫下磁控濺射制備AZO透明導(dǎo)電薄膜，對(duì)薄膜的微觀形貌和光學(xué)性能作了初步研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 AZO陶瓷靶材的制備

以氧化鋅粉體和硝酸鋁晶體為原料，無(wú)水乙醇為球磨溶液，Al和Zn原子比3:100稱取原料，濕式球磨2h.球磨漿料制成靶坯在600 ℃下預(yù)燒結(jié)，靶坯粉碎后再壓制成塊，以5 ℃/min的速度升溫，在1400℃下常壓燒結(jié)2h，自然冷卻.

1.2 AZO透明導(dǎo)電薄膜的制備

使用燒成的AZO陶瓷靶材，在室溫情況下，玻璃基片上用磁控濺射法制備AZO透明導(dǎo)電薄膜.襯底與靶材相距7.5 cm，真空度抽至3×10-3Pa，充入純Ar氣，當(dāng)氣壓升至4 Pa，功率調(diào)為71 W，濺射90min.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 AZO透明導(dǎo)電薄膜的微觀形貌

利用排水法測(cè)得AZO靶材相對(duì)密度為96%，用四探針法測(cè)得電阻率為2.5×10-2Ω·cm，薄膜性能指標(biāo)與劉心宇等[5]采用常壓固相燒結(jié)法制備陶瓷靶材的性能相近.

圖1為在室溫條件下，使用上述靶材濺射的AZO薄膜的X射線衍射圖譜.從圖上可以看出，薄膜為典型的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，尖銳的（002）衍射峰表明薄膜具有c-軸擇優(yōu)取向，衍射角2θ為34.29°.

由Scherrer公式可以估算出AZO薄膜的平均晶粒尺寸[6]

式中d為平均晶粒尺寸，λ為X光波長(zhǎng)（1.540660 。A），β為（002）衍射峰半高寬.計(jì)算得到AZO薄膜的平均晶粒尺寸為35.547 nm.

圖1 AZO薄膜的X射線衍射圖譜

圖2為AZO薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）形貌圖.可以看出，薄膜晶粒結(jié)合緊密，尺寸均勻，但表面平整度不高.這是因?yàn)橐r底基片溫度較低時(shí)，襯底上濺射離子遷移能低，加上AZO薄膜存在著較強(qiáng)的晶粒擇優(yōu)生長(zhǎng)機(jī)理導(dǎo)致表面粗化.

圖2 AZO薄膜掃描電子顯微鏡（SEM）形貌圖

2.2 AZO透明導(dǎo)電薄膜的光學(xué)性能

圖3是AZO薄膜的透射譜.從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)中制備的薄膜具有良好的透光性，其最大透光率達(dá)89.92%.

AZO薄膜是直接帶隙半導(dǎo)體，光學(xué)帶隙與吸收系數(shù)關(guān)系可Tauc公式推導(dǎo)：

其中Eg為薄膜光學(xué)帶隙，α為吸收系數(shù)，C為常數(shù)，hv為入射光子能量.擬合出(hvα)2-hv曲線，如圖4所示，AZO薄膜的光學(xué)帶隙即為吸收邊切線在hv軸的截距，其值約為2.18eV，小于ZnO本征禁帶寬度3.37eV[7].光學(xué)帶隙寬度主要受雜質(zhì)和缺陷的影響[8].實(shí)驗(yàn)中，室溫條件下制備的AZO薄膜缺陷和雜質(zhì)濃度較高，導(dǎo)致缺陷態(tài)波函數(shù)發(fā)生重疊，缺陷能級(jí)分裂成能帶，最后與導(dǎo)帶發(fā)生重疊，這相當(dāng)于導(dǎo)帶下移，表現(xiàn)為帶隙減小.

圖3 AZO薄膜的透射譜

圖4 AZO薄膜的光學(xué)帶隙

烏爾巴赫能量(Urbach energy)是關(guān)聯(lián)薄膜晶格缺陷濃度的一個(gè)參量，其值越大，表明晶格缺陷濃度和無(wú)序性就越大.根據(jù)Urbach規(guī)則[9]，在吸收邊附近，Urbach能量Eu滿足以下關(guān)系：

畫出hv-lnα曲線，Urbach能量為線性部分斜率的倒數(shù)，如圖5所示.擬合得到實(shí)驗(yàn)所制備的AZO薄膜Eu值為3.9 eV，比文獻(xiàn)[6]所制備的ZnO薄膜Eu值0.13 eV大.

圖5 AZO薄膜的烏爾巴赫能量

包絡(luò)線法[10]是擬合計(jì)算折射率n(λ)的常用方法.在弱和中吸收區(qū)：

Tmax為透過譜包絡(luò)函數(shù)的最大值，Tmin為最小值，ns為玻璃襯底的折射率1.51.利用透過譜計(jì)算的n(λ)值如圖6所示.從圖6可以看出，AZO薄膜的折射率先是隨著波長(zhǎng)的增大而快速減小，與正常色散相吻合；在447 nm波長(zhǎng)處取得最小值1.69，隨后轉(zhuǎn)而隨波長(zhǎng)增大而增大，出現(xiàn)反常色散，這表明薄膜在447～495nm波長(zhǎng)附近存在一個(gè)吸收帶；可見光區(qū)折射率基本穩(wěn)定在1.86左右.與洪偉銘[11]、Yoshikawa Hisashi等人[12]的計(jì)算結(jié)果相比較，折射率的變化趨勢(shì)一致，在可見光區(qū)折射率的數(shù)值也接近.

圖6 AZO薄膜的折射率

3 結(jié)束語(yǔ)

用硝酸鋁晶體和氧化鋅粉末為原料，制備了相對(duì)密度為96%、電阻率為2.5×10-2Ω·cm的AZO陶瓷靶材.利用所制靶材，采用直流磁控濺射法制備了具有良好性能的AZO薄膜.薄膜晶粒均勻緊密，平均尺寸為35.547 nm，可見光透過率達(dá)89.92%，光學(xué)帶隙為2.18 eV，Urbach能量為3.9 eV.折射率隨入射波長(zhǎng)的增大，先減小后增大，在447 nm波長(zhǎng)處取得最小值1.69，出現(xiàn)反常色散現(xiàn)象，最后穩(wěn)定在1.86左右.表明，實(shí)驗(yàn)中制備AZO靶材及其透明導(dǎo)電薄膜的方法是可行的、具有一定的參考價(jià)值. ■

[1]姜辛，孫超，洪瑞江，戴達(dá)煌.透明導(dǎo)電氧化物薄膜[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]葉志鎮(zhèn)，呂建國(guó)，張銀珠. 氧化鋅半導(dǎo)體材料摻雜技術(shù)與應(yīng)用[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2009.

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[5]劉心宇，李海麟，江民紅. 常壓固相燒結(jié)制備ZAO靶材及其性能的研究[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008,23(1): 27-30.

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[11]洪偉銘. 摻鋁對(duì)ZnO薄膜光學(xué)常數(shù)的影響[J].半導(dǎo)體光電，2007(28): 205-208.

[12]Yoshikawa Hisashi，Adachi Sadao. Optical constants of ZnO [J]. Jan. J. Appl. Phys. , 1997, (36): 289-291.

【責(zé)任編輯 謝文?！?/p>

Microstructure and Optical properties of Magnetron Sputtered AZO Films at Room Temperature

ZHAI Wang-jian1，ZHOU Zhao-biao2
(1. College of Physical Science and Technology, Yulin Nomal University, Yulin, Guangxi 537000; 2. Fuchuan GePo Junior Middle School, Hezhou, Guangxi 542703)

The ZnO:Al(AZO) ceramic targets were fabricated using Al(NO3)3·9H2O and ZnO when the atom ratio of A1 to Zn is 3：100. The relative density of the target was 96%, the resistivity is 2.5×10-2Ω·cm. The AZO thin film was grown by DC magnetron technique at room-temperature on the glass substrate. The film microstructure was analyzed by XRD and Scanning electron microscopy. The film show larger grain size and uniform grain distribution, the transmittance is 89.92%, the optical band gapEgis 3.63 eV, the Urbach energyEuis 3.9eV.The refractive index n firstly decreased and then increased with the increase of wavelength, and became stable lastly.

AZO; Room temperature; DC magnetron sputtering; Refractive index

TB43

A

1004-4671（2014）05-0025-04

2014-08-31

廣西教育廳高校科研項(xiàng)目（LX2014305）；玉林師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（2013YJYB10）。

翟旺建(1984～)，男，瑤族，廣西賀州人，玉林師范學(xué)院物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院助教，碩士。研究方向：功能陶瓷材料的制備、半導(dǎo)體量子點(diǎn)電子態(tài)和光學(xué)性質(zhì)計(jì)算。