磁控溅射制备柔性衬底ZnO：Ga透明导电膜微结构及性能研究第28卷第11期21XI7年11月太阳台旨ACTAENERGIAESOLARISSI』ⅥCANov.,933O7磁控溅射制备柔性衬底ZnO:Ga透明导电膜微结构及性能研究李素敏,赵玉涛,张钊(江苏大学材料科学与工程学院,镇江212013)摘要:室温条件下,采用磁控溅射法在有机柔性衬底聚酰亚胺(PI)表面制备出ZnO:Ga透明导电膜,XRD表明ZnO:Ga薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜.研究了溅射功率,氩气分压,溅射时间及衬底负偏压等溅射工艺参数对薄膜结构及光电性能的影响,得出最佳溅射参数分别为:功率100W,氩气分压0.1Pa,溅射时间60min,衬底负偏×10"Q?on,可见光透过率为78%.关键词:光电特性;柔性衬底;磁控溅射;结构;ZnO:Ga膜:TN304.2.0484.1.TK511.4文献标识码:A0引言在氧化物透明导电膜(TransparentConductiveOx—ide,简称TCO)的制备中,ZnO膜及其掺杂体系膜由于成本低,无毒,易刻蚀,在氢气氛中稳定性高等特型化和轻量化,柔性衬底透明导电膜因具有可挠曲,重量轻,不易破碎,易于大面积生产,便于运输,设备投资少等独特优点而引起科研工作者的广泛关注,可望成为硬质衬底透明导电膜的更新换代产品.柔性衬底氧化物透明导电膜可用于折叠式太阳电池电极材料,液晶显示器,氢敏元件,面发热体,静电屏蔽装置,光存储器等众多领域.目前,关于柔性衬底IIO及ZAO等透明导电膜的制备已有离子束辅助沉积l4J,脉冲激光沉积[5j,高温喷涂l6j,离子镀],金属有机化合物气相沉积(MO—CVD)等方法,但是有关在柔性衬底聚酰亚胺(PI)表面磁控溅射制备溅射法在室温条件下制备出结构及光电性能优良的GZO膜,并就溅射制备工艺条件对GZO膜结构及光电性能的影响进行了研究.1实验采用JPG600型超高真空多功能磁控溅射设备在室温条件下进行GZO膜样品的制备,其溅射频率为13.56MHz,背底真空度为6×10～Pa,溅射气压为0.1～2.0Pa,溅射气氛为99.999%的,溅射功率0～纯度均为99.99%的ZnO(96%)与Ga203(4%)粉体材料为耐温200cc,厚度为25ttm的聚酰亚胺(PI)薄膜片材,衬底不作预热处理.薄膜样品结构性质采用D/Max2500VB3+型x采用sZ_82型四探针测试仪测量,薄膜的霍尔迁移率以及载流子浓度根据VanderPauw法在室温下进量薄膜样品在波长220～800rim范围内可见光的透过率.2结果与讨论图1为本实验最佳工艺参数下所制备薄膜的x收稿日期:20o6—07—24基金项目:江苏大学高级人才科研启动基金项目(04JDC,023);江苏省铝基复合材料工程技术研究中心研发项目(BM2003014)—1234太阳能28卷射线衍射图谱,图谱中只存在一个主衍射峰而无G勘O3相存在,在2为34.08.处存在相应于[002]面的衍射峰,该数值非常接近于ZnO晶体主衍射峰位置34.45.,表明溅射薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,其中Ga原子以替位式占据了zn原子位置出现在六角晶格中或弥散分布于晶界而不改变ZnO的低角度方向移动,表明薄膜在溅射制备过程中还存折叠试验,均未发现薄膜从衬底上剥离脱落,表明薄膜与衬底界面结合附着性较好.3040衍射角20(.)图1GZO膜XRD图谱图2为溅射功率(P)为50,70,100,120W条件下生长的薄膜的表面形貌.可见,当溅射功率为50W至70W,薄膜颗粒大小分布趋于均匀,薄膜表面更加致密.当功率增至100W时,薄膜更加致密,且晶粒尺寸增大.当溅射功率增加时,大的溅射功率会提高氩气的电离度,从而增大溅射速率,即在溅射时间相同的条件下,高功率下溅射出的粒子数目更多,粒子之间直接碰撞成核或团簇的几率增大;另外,功率增大使氩离子能量增加,溅射粒子能量随之增大,高的能量使其在衬底上会有较高的扩散速率,使粒子相互结合成尺寸较大的晶粒,且使膜的致密性有所提高,晶体结构进一步得到优化.但当P为120W时,高功率使溅射粒子能量较高,而衬底材料PI系高聚物材料,薄膜耐高温性有限,高能量粒子使薄膜表面受得最佳功率条件为100W.图2不同功率FGZO膜的AFM图withdifferentsputteringpower图3为不同薄膜厚度的GZO膜Ab-TVl图,薄膜厚度分别为147,295,374,469nm,相应的溅射时间分别为5,30,60,90min.由图3可见,薄膜呈柱状生长,结构非常紧密.当溅射粒子到达衬底时,溅射粒子经过吸附,凝结,表面扩散迁移,碰撞结合形成稳定的晶粒,然后再通过吸附使晶核长大成为"小岛","小岛"再逐渐长大,当相互接触连接而产生带有沟...