[發明專利]多晶摻鎢氧化錫透明導電氧化物薄膜及其制備方法

無效

• 申請號: 200810203477.4
• 申請日: 2008-11-27
• 公開（公告）號: CN101413099A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發明（設計）人: 張群;黃延偉;李桂峰
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/22;C23C14/54;C23C14/58
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司
• 代理人: 張 磊

技術領域

本發明屬于透明導電薄膜技術領域，具體涉及一種多晶透明導電氧化物薄膜及其制備方法。

背景技術

透明導電氧化物(TCO)薄膜因具有金屬的導電性和可見光范圍的透明性，已經成為平板顯示、太陽能電池和透明電子器件中不可或缺的材料。摻錫氧化銦(ITO)是得到廣泛應用的透明導電氧化物薄膜。正因為如此，金屬銦的消耗量非常之大，且有越來越大之趨勢。在過去的三年內，其價格翻了近十倍！由于金屬銦的儲量有限，能否滿足日益擴大的市場需求成為人們關注的焦點。因此，探索新型透明導電薄膜，以期最終替代ITO薄膜，成為今后透明導電薄膜的研究熱點。目前，人們正在通過各種方法包括工藝技術、選擇不同的基質材料(如In₂O₃、ZnO、SnO₂等)、摻雜不同元素(如高價態金屬元素)、多層膜結構和多組分等致力于改善和優化TCO薄膜的性能，以適應和開發不斷擴展的應用領域。

二氧化錫基薄膜材料是最早獲得商業應用的透明導電材料，具有很好的化學穩定性，不但可以避免ITO薄膜中銦擴散對光電器件性能的影響，而且可以克服摻鋁氧化鋅薄膜存在的氧吸附問題，是制備高效、高穩定性薄膜太陽能電池窗口電極和光電器件的重要材料。近年來，對二氧化錫基透明導電薄膜的研究主要集中在通過陽離子或陰離子替位摻雜來提高其光電性能，研究較多的是通過摻雜形成Sb⁵⁺替位Sn⁴⁺和F^-替位O^2-的ATO透明導電薄膜和FTO透明導電薄膜。ATO薄膜在不同的溫度和氧分壓下會出現Sb⁵⁺和Sb³⁺兩種價態，如果Sb⁵⁺取代Sn⁴⁺，則引入一個距離SnO₂導帶很近的施主能級；Sb³⁺取代Sn⁴⁺，則產生一個距離SnO₂價帶很近的受主能級。通常情況下，這兩種情況都會發生，出現復合、補償效應，從而使得摻雜效率降低。

本發明考慮到鎢的高價態穩定性和與錫更加接近的離子半徑(W⁶⁺：67pm；Sn⁴⁺：71pm；Sb⁵⁺：62pm；Sb^3-：245pm)，嘗試對二氧化錫進行鎢摻雜，通過脈沖等離子體技術得到了具有低電阻率、高載流子遷移率、高可見光透射率和近紅外透射率的多晶結構SnO₂:W透明導電氧化物薄膜。

脈沖等離子體沉積技術(PPD)同脈沖激光沉積(PLD)方法類似，均是基于燒蝕鍍膜的過程，即把一個很高的能量瞬間轉移到靶材表面的很小部位，造成其溫度高于升華限制，這樣靶材就被燒蝕出來并利用剩余的動能運動到基板表面而沉積形成薄膜。PLD具有與PLD同樣的有效性和普適性，但操作上更為簡單，設備成本更為低廉。

本方法制備的多晶SnO₂:W透明導電薄膜具有大規模生產性，在平板顯示、透明光電器件、特別是太陽能電池和近紅外傳感器等領域具有良好的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提出一種多晶摻鎢氧化錫透明導電氧化物薄膜及其制備方法。

本發明提出的多晶摻鎢氧化錫透明導電氧化物薄膜，是石英襯底上制備多晶氧化物薄膜，該薄膜一種摻鎢氧化錫薄膜SnO₂:W，由脈沖等離子體沉積方法和后熱處理技術制備獲得，薄膜厚度為100nm-160nm，載流子遷移率在66.4cm²/V·s以上，自由載流子濃度為1.38×10²0cm^-3，最低電阻率為6.84×10^-4Ω·cm，可見光和近紅外平均透射率分別為85％和90％。

具體是在室溫的石英襯底上、純氬氣氛圍下成膜、并經空氣中600℃～1000℃退火處理獲得具有多晶結構的SnO₂:W薄膜，厚度在100nm到160nm之間、載流子遷移率在66.4cm²/V·s以上，自由載流子濃度約為1.38×10²⁰cm^-3，最低電阻率6.84×10^-4Ω·cm，可見光和近紅外平均透射率分別為85％和90％。