靶基距对ZnMgO∶Ti透明导电薄膜性能的影响

2019-04-03倪庆宝张化福刘云燕刘汉法

山东理工大学学报（自然科学版） 2019年3期

孙艳,倪庆宝,张化福,刘云燕,刘汉法

(山东理工大学物理与光电工程学院，山东淄博 255049)

透明导电薄膜(TCO)因其独特的光学、电学特性广泛应用于光电显示、太阳能电池等领域。与ITO 薄膜相比，ZnO及掺杂薄膜价格低廉、对环境无毒无害、制备工艺简单，许多元素可被掺杂到ZnO中以调节其特性，因而引起了广泛关注[1-3]。磁控溅射法是一种制备透明导电薄膜常用的方法[4-6]。采用磁控溅射法制备ZnMgO薄膜，在ZnO中掺入Mg取代Zn的位置，形成的Znl-xMgxO薄膜在保持纤锌矿结构不变的前提下，能够在3.37～4.05 eV调节带隙[7]。但是未掺杂的ZnMgO薄膜的导电性不好。掺杂元素对透明导电薄膜的性能有较大影响。龚丽等[6]利用磁控溅射法用Ga掺杂ZnO发现在不同生长温度下所制备的GZO薄膜最低电阻率为1.91×10-3Ω·,在可见光波段平均透射率均大于90%，光学性质优异。Zhu等[8]用Al掺杂ZnO薄膜发现缓冲厚度增大时电阻率下降。顾锦华等[9]采用磁控溅射法用Ti掺杂ZnO，Ti掺杂能有效降低电阻率，品质因数最大为748.15 s/cm。本文采用磁控溅射法在玻璃衬底上制备掺Ti的ZnMgO薄膜，研究靶基距对其结构及光电性能的影响。

1 实验

1.1 样品制备

采用磁控溅射法，在玻璃衬底上通过改变靶基距制备了一系列ZnMgO∶Ti透明导电薄膜。靶材由ZnO(原子百分比为95%,纯度为99.99%)粉末, MgO(原子百分比为5%,纯度为99.99%)粉末和TiO2(相对于Zn0.95Mg0.05O质量百分比为2.1%,纯度为99.99%)粉末高温烧结而成。靶材直径为75 mm,厚度为3 mm。基体为玻璃片，在丙酮中超声清洗10 min，再在无水乙醇和去离子水中浸泡0.5 h,取出并在恒温干燥箱中晾干。制备过程中溅射室内真空抽至4.6×10-3Pa，溅射压强保持9 Pa，功率保持85 W，溅射时间为30 min，靶基距分别取45 mm、50 mm、65 mm、70 mm。

1.2 样品测试

用D8 型X射线仪(CuKa1靶，波长0.154 1 nm)测定薄膜的晶体结构，用扫描电镜观察样品的形貌。用双光束紫外可见分光光度计测量样品的光学透过率，用四探针法在室温下测量薄膜的方块电阻R,用SGC-10型薄膜测厚仪(测量精度<1nm)测量薄膜的厚度, 薄膜的电阻率由公式ρ=R×L[10]计算得到。

2 结果与讨论

2.1 样品形貌、晶体结构分析

图1给出了不同靶基距下薄膜SEM图。从图1可看出，不同靶基距下ZnMgO:Ti薄膜颗粒均匀清晰，有较好的致密性。在50 mm下溅射薄膜的晶粒尺寸大于在65 mm下薄膜的晶粒尺寸。薄膜的表面结构由沉积粒子的能量决定。溅射靶面和基底的距离即靶基距较大时，溅射粒子到达基板，由于能量损耗，粒子能量很小，晶体结合能力下降，颗粒变得细小；图2给出了不同靶基距下ZnMgO:Ti薄膜的XRD衍射图。在不同的靶基距下薄膜样品仅有一个较强衍射峰，衍射峰角2θ大约为34.7°左右，这表明薄膜有较好的c轴取向。靶基距为50 mm时薄膜的衍射峰高于靶基距为65、70 mm的薄膜衍射峰，表明靶基距为50 mm时的薄膜的结晶化程度更好。表1给出了不同靶基距下的薄膜厚度。

(a)50mm (b)65mm 图1 不同靶基距下薄膜的SEM图 Fig.1 SEM pictures of films deposited at different target-substrate distances

图2 不同靶基距下薄膜的XRD衍射图Fig.2 XRD spectra of films deposited at different target-substrate distances

表1 不同靶基距下薄膜的厚度

Table 1 Film thickness at different target-substrate distances

靶基距/mm45506570薄膜厚度/nm 595.4460.1222.7180.3

2.2 靶基距对薄膜电学特性的影响

由图3我们可以看出，在45～70 mm范围内，随着靶基距的增加，薄膜的电阻率先减小后增加，50 mm处电阻率最小，导电性相对较好。我们认为导电性与薄膜的结晶程度和薄膜厚度、晶粒尺寸等微观结构密切相关。如果薄膜的结晶化程度较好，那么形成的缺陷就会很少，载流子的散射就会减弱，因而薄膜的导电性较好，电阻率相对变小。图2表明在靶基距为50 mm时薄膜的结晶程度较好。较大的晶粒尺寸减少了晶界，有效的减弱了载流子的散射率，而薄膜厚度的增加有利于增加载流子的迁移率。在这几个因素的共同作用下，在靶基距50 mm下溅射的薄膜获得了最佳的导电性能。

图3 电阻率随靶基距的变化曲线Fig.3 Variations of electrical resistivity at different target-substrate distances

2.3 靶基距对薄膜光学特性的影响

图4给出了不同靶基距下透射率与波长的关系图。从图4可以看出，随着靶基距的增加，ZnMgO∶Ti薄膜透射率的干涉峰峰数逐渐减少，透射率越来越稳定。这是因为，靶基距不同而致使薄膜的厚度不同(表1)，如果薄膜越厚粒子数越多，干涉峰数就会越多。在400～900 nm范围内，不同靶基距条件下制备的ZnMgO∶Ti薄膜平均透射率都达到92%以上，说明我们制备的薄膜具有很好的光学性能。此外，我们还可以看出，相对于靶基距为45 mm情况下制备的薄膜，在50～70 mm制备的薄膜光学吸收边界出现蓝移(吸收边界向波长减小的方向移动)。

图4 薄膜的透光率Fig.4 Optical transmittance as a function of wavelength

对于薄膜的光学带隙，因为αhv2=A(hv-Eg)，则通过将α2-hv曲线的线性部分外推至α=0，该位置所对应的hv的值即为光学带隙，α为吸收系数，由公式α=(1/d)ln(1/T)求得，其中d是薄膜的厚度，T是薄膜的透射率。从图5可以看出在45～70 mm范围内，随着靶基距的增大，薄膜的带隙宽度先增加后减小，靶基距为50 mm时的薄膜带隙宽度最大，大约为3.54 eV，这是因为靶基距的不同引起薄膜晶体结构的不同，从而导致带隙宽度的改变。