Ag层厚度对AZO_Ag_AZO薄膜性能影响的研究.pdf
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1、132研究与探索Research and Exploration 工艺流程与应用中国设备工程 2023.09(上)1 前言随着对信息技术和新能源技术的需求越来越高,使得透明导电薄膜成为关键性材料。作为一种新型材料,被研究最多的透明导电薄膜还是透明导电氧化物薄膜(TCO)。透明导电氧化物是将二元金属氧化物通过外部或本征缺陷掺杂而显示为 TCO 的化合物,例如,氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化镉(CdO)和氧化锌(ZnO)。目前最常见的 TCO 透明导电薄膜还是氧化铟锡薄膜,它占据着透明导电薄膜的大部分市场。ITO 薄膜是一种重掺杂、高简并的 n 型透明导电氧化物材料。但 ITO 在
2、光电应用上存在一些缺点,铟是一种贵金属,成本较高,薄膜脆性大不利于在柔性衬底上制备透明导电薄膜等。氧化锌(ZnO)的直接带隙为 3.37eV,激子结合能为 60 meV。氧化锌具有非常优异的光电性能,在表面声波器件、太阳能电池、透明电极和各种光电器件中都有应用。掺杂 Al 的 ZnO(AZO)由于其廉价,无毒无污染和易掺杂等优点而被广泛研究作为 ITO 的替代品。在 ZnO 体系中掺杂 Al 可以得到 AZO 透明导电薄膜,掺杂后能大幅度提高薄膜的导电性,电阻率可降低到 10-4cm。然而,相比 ITO 的高导电性,AZO 在电学性能方面还略显逊色,为了提升 AZO 的导电性,不少研究者提出了
3、 AZO/Metal/AZO 三明治结构的透明导电薄膜。通过在两层 AZO 薄膜之间插入一层金属层,透明导Ag 层厚度对 AZO/Ag/AZO 薄膜性能影响的研究张健峰(山东水发综合能源有限公司,山东 济南 250109)摘要:透明导电薄膜广泛应用于太阳能电池、触控面板、液晶显示等领域。本文采用磁控溅射法制备 AZO/Ag/AZO 透明导电薄膜,研究 Ag 层厚度对 AZO/Ag/AZO 透明导电薄膜光电性能的影响。结果表明,AZO 薄膜是具有六方晶系 ZnO 纤锌矿结构的多晶相。当 Ag 层厚度增加时,AZO/Ag/AZO 薄膜的(002)衍射峰略向较高的角度移动且半高宽略微增大,晶粒尺寸和
4、晶面间距减小。AZO/Ag/AZO 薄膜的电阻率,方块电阻,光学透射率与 Ag 层的厚度密切相关。随着 Ag 层厚度的增加,电阻率减小,透射率减小。品质因数表明,其中 Ag 层厚为 5nm 的AZO/Ag/AZO 三层薄膜具有较好的光电性能。关键词:透明导电薄膜;AZO/Ag/AZO;磁控溅射法;Ag 层厚度中图分类号:TB383.2 文献标识码:A 文章编号:1671-0711(2023)09(上)-0132-03电薄膜的电学性能有了较大的提高。Chu 等人采用射频磁控溅射(生长 AZO)和离子溅射(生长 Au)制备了高透射率、低电阻率的铝掺杂 ZnO(AZO)/Au/AZO 三层膜结构,获
5、得了极低的电阻率 1.0110-5cm,在 650 nm 波长处的最高透射率为 86%。杨田林等人在玻璃衬底上,通过离子束溅射和射频磁控溅射制备出 AZO/Cu/AZO三层薄膜,并在此基础上研究了衬底温度对薄膜的微观结构和光电性能的影响,温度达到 100时,薄膜的方块电阻为 11/sq,在波长为 500 800nm 平均透光率达到了 87.3%。Miao 等人在 PET 衬底上通过射频磁控溅射技术制备了 AZO/Ag/AZO 三层膜,10nm 的 Ag 内层样品在近红外(FIR)区的平均可见光透过率最高,分别为79%和 91.5%。不同的 Ag 缓冲层厚度对 AZO/Ag/AZO 薄膜整体性能
6、有着很大的影响,特别是对光电性能的影响,Ag 作为高导电不透明的金属,Ag 缓冲层的加入必然导致 AZO/Ag/AZO 三明治结构薄膜的透射率减小,电导率增加。本文采用磁控溅射法制备 AZO/Ag/AZO 薄膜,系统研究 Ag 层厚度薄膜性能的影响。2 实验室温下,通过磁控溅射法在玻璃衬底上沉积 100nm厚 的 AZO 膜,AZO 层 溅 射 功 率 为 120W,本 底 真 空 为8.010-4Pa,溅射气压为 0.9Pa,溅射气体为氩气,氩际计算的瞬时功率,可以看出,远程恒压原理斜盘倾角的变化量更小,压力相对更小,所以泵的瞬时输出功率也更小,因此,在电机和电机控制器的匹配上可选择的范围也
7、更广了,可以解决更多种类的电机和电机控制器因瞬时功率的变化而造成的电机掉速或者憋死的问题。8 结语通过对浮动控制回路的优化,从仿真结果来看,泵的瞬时功率由之前的 7.3kW 降低到 0.82kW,解决了电机憋死和掉速的问题,同时,还可以降低浮动待命的带载功率和能耗;针对仿真结果进行相应的实验,实验结果更是验证了以上效果,并且使整机能耗降低了 30%以上,是一次针对电动化产品的一次比较成功的改进优化。参考文献:1 李壮云.液压元件与系统 M.北京:机械工业出版社,2005.2 景俊华.负载敏感系统的原理及其应用 J.流体传动与控制,2010(11):21-24.设备9上.indd 1322023
8、/8/30 14:32:35133中 国 设 备 工 程C h i n a P l a n tE n g i n e e r i n g中国设备工程 2023.09(上)气流量为 30sccm。在 AZO 层的基础上,再分别溅射沉积5、10、15nm 厚的 Ag 层。其中,Ag 层溅射功率为 50W,本底真空为 8.010-4Pa,溅射气压为 0.9Pa,溅射气体为氩气,氩气流量为 30sccm。最后,再溅射一层 AZO 薄膜,具体参数与上述一致。采用 X 射线衍射仪(XRD,Bruker D8 Advance)分析薄膜样品的物相结构,利用扫面电子显微镜(SEM,HITACHI SU8010)
9、表征所制备样品的微观形貌。利用四探针测试仪(广州四探针科技有限公司,RTS-8)测试薄膜的方块电阻,使用紫外-可见分光光度计(UV-Vis,Thermo Evolution 220)分析薄膜的光学性能。3 结果与分析图 1 不同 Ag 层厚度的 AZO/Ag/AZO 薄膜的 XRD 图谱图 1 为 Ag 层厚度分别为 0nm,5nm,10nm 和 15nm的 AZO/Ag/AZO 薄膜的 X 射线衍射图谱。由图可以看出,制备的薄膜结晶性良好,在 2=34.412出现 ZnO 的衍射峰对应六方晶系氧化锌纤锌矿结构(PDF 36-1451)的(002)晶面。在 2=38.301出现 Ag 的衍射峰
10、对应立方晶系结构(PDF 04-0783)的(111)晶面。在 Ag层厚度为 0 nm 时,XRD 图谱中没有 Ag 的衍射峰,但随着 Ag 层厚度的增加,Ag 相对应的衍射峰逐渐增强。通过 Jade 得出 ZnO 的晶格常数:a=3.2498、b=3.2498、c=5.2066,Ag 的 晶 格 常 数:a=4.0862、b=4.0862、c=4.0862。同时,随着 Ag 层厚度的增加,ZnO 相对应的衍射峰发生红移,由布拉格方程得出,晶面间距减小。根据 Debye-Scherrer 公式(德拜-谢乐公式):BKDcos=(1)其中 D 为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度(nm);K 为 Sc
11、herrer 常 数,若 B 为 衍 射 峰 的 半 高 宽,则K=0.89;为 X 射线波长,为 0.154056nm;B 为实测样品衍射峰半高宽;为布拉格衍射角。由 Jade 可得图中衍射峰半高宽,带入 Debye-Scherrer 公式(德拜-谢乐公式)可知半高宽发生变化,计算所得的平均晶粒尺寸,见表 1。图 2 为 Ag 层厚度分别为 0nm,5nm,10nm 和 15 nm的 AZO/Ag/AZO 薄膜的 SEM 照片。图 2(a)与图 2(d)为Ag 层厚度 5 nm 的 AZO/Ag/AZO 薄膜的 SEM 照片;所制备的薄膜平整致密,表明存在细小微粒,平均尺寸约为39.11nm
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