[發明專利]一種Ga摻雜ZnO透明導電薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201210412425.4
• 申請日: 2012-10-25
• 公開（公告）號: CN102912307A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 劉敏霞;吳木營
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 東莞市華南專利商標事務所有限公司 44215
• 代理人: 李玉平

技術領域

本發明屬于光電子信息功能材料技術領域，具體涉及一種Ga摻雜ZnO透明導電薄膜的制備方法。

背景技術

透明導電薄膜是把光學透明性能與導電性能復合在一體的光電材料，由于其具有優異的光電特性，成為近年來的研究熱點和前沿課題，現已廣泛應用于平板顯示、太陽能電池、光電器件、壓電器件和聲學器件等多個領域。

透明導電氧化物薄膜主要有氧化銦（In₂O₃）、氧化錫（SnO₂）和氧化鋅（ZnO）基三大體系。SnO₂膜是最早獲得商業使用的透明導電材料，但這種薄膜難以刻蝕，且SnO₂的成膜溫度相對較高，在有機材料襯底上不容易獲得高質量的透明導電薄膜；目前，錫摻雜氧化銦（ITO）薄膜是使用最廣泛的透明導電膜，主要應用在平板顯示等商業領域，但In是一種稀有金屬，產量少，價格昂貴，而且ITO應用于太陽能電池時，在等離子體中不夠穩定。因此，人們迫切需要找到一種價格低廉且性能優異的ITO替換材料。

近年來，ZnO作為一種透明導電氧化物薄膜材料引起了廣泛的關注，與傳統的In₂O₃基和SnO₂基透明導電薄膜相比，ZnO透明導電膜具有原材料豐富、無毒、摻雜可以提高薄膜的電導率和穩定性等優點，作為一種重要的光電子信息材料，ZnO透明導電膜優良的光電特性使其在太陽能電池、液晶顯示器、熱反射鏡等領域得到廣泛的應用。

由于ZnO薄膜的電阻率很大，為提高ZnO薄膜的電學性能，常用III族元素（Al，In）對其進行n型摻雜。申請號為201010214412.7的中國發明專利公開了一種Al摻雜的ZnO透明導電薄膜，所述薄膜材料的化學成分符合化學式Zn_1-xAl_xO，其中0.01≤x≤0.05；申請號為200910111243.1的中國發明專利公開了一種低銦摻雜量氧化鋅透明導電膜，該導電膜中，銦原子與銦原子和鋅原子之和的原子比[In/(In+Zn)]≈2％，沿（002）取向的六方纖鋅礦相結構。

然而，用Al或In摻雜ZnO透明導電薄膜仍有一些不足之處：一方面，在高摻雜濃度情況下，Al和In摻雜對ZnO晶格畸變的影響較大；另一方面，在薄膜的沉積過程中，Al和In易氧化，使透明導電薄膜性能不穩定。

發明內容

為了克服現有技術中存在的缺點和不足，本發明的目的在于提供一種Ga摻雜ZnO透明導電薄膜的制備方法，本發明的制備方法可大面積規模化生產、工藝簡單、成本低，所制得的Ga摻雜ZnO透明導電薄膜表面平整致密，粗糙度較小，電阻率低，透過率高，性能穩定，應用前景廣闊。

本發明的目的通過下述技術方案實現：一種Ga摻雜ZnO透明導電薄膜的制備方法，包括如下步驟：

（1）稱取ZnO粉末和Ga₂O₃粉末，其中Ga占總粉末的摩爾百分含量為1~3%，將稱取的粉末經預燒結處理，將預燒結后的粉末再經燒結處理，制得Ga摻雜ZnO靶材；

（2）將襯底和步驟（1）制得的靶材裝入磁控濺射鍍膜機中，靶材和襯底的距離為6~10cm，將濺射室抽真空至1.0×10^-4Pa～1.0×10^-3Pa，通入氬氣，氣體流量為20~25sccm，控制工作壓強為0.1~0.5Pa；

（3）將步驟（2）中襯底的溫度升至300~600℃，控制濺射功率為80~120W，濺射時間為1~3h，進行鍍膜處理，制得Ga摻雜ZnO透明導電薄膜。

優選的，步驟（1）中，Ga占總粉末的摩爾百分含量為2%。

優選的，步驟（1）中，預燒結的具體步驟為：將稱取的粉末加入相當于ZnO質量0.8~1.2倍的無水乙醇球磨1~2h，使其混合均勻，隨后烘干5~7h，將干燥好的粉末在500~900℃溫度下保溫4~6h進行預燒結處理。

優選的，步驟（1）中，燒結的具體步驟為：將預燒結后的粉末加入相當于ZnO質量8%~12%的聚乙烯醇研磨1~3h，使其混合均勻，隨后在15~25MPa壓力下壓制成型，將壓制成型的生坯在1200~1400℃溫度下保溫3~5h進行燒結處理。

優選的，步驟（1）和步驟（2）中，ZnO粉末的純度為99%以上，Ga₂O₃粉末和氬氣的純度均為99.99%以上。

優選的，步驟（2）中，襯底為藍寶石、玻璃和石英中的任意一種。