一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法及铌掺杂二氧化钛透明导电膜技术

本发明专利技术公开了一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法及铌掺杂二氧化钛透明导电膜，该制备方法包括1)以氩气为等离子体气源，氧气为反应气体，采用远源等离子体溅射技术在衬底上溅射沉积薄膜得半成品；溅射靶材中Nb的原子数为Nb、Ti原子总数的2％～8％；氧气的体积流量为氩气体积流量的5％～20％，等离子体发射源功率为1100～2000W，靶材加速偏压功率为1300～1510W；2)将所得半成品进行晶化退火处理。所得透明导电膜致密均匀，平均可见光透过率高，电阻率低，具有良好的化学稳定性、机械强度和光电性能；本发明专利技术的制备方法溅射速度快，温度低，可重复性好，耗能低，具有广阔的市场前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于透明导电氧化物薄膜
，具体涉及一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，同时还涉及一种上述制备方法所得的铌掺杂二氧化钛透明导电膜。
技术介绍
透明导电氧化物(transparent conductive oxide，简称TCO)是一种重要的半导体功能材料，作为光电器件的透明电极，广泛应用于太阳能电池、触摸屏与平板显示、发光器件和智能窗等领域。近年来，半导体制造产业发展迅猛，新兴电子产品层出不穷，透明导电氧化物电极的市场需求也迅速膨胀。同时，电子产业的多样化也对透明导电氧化物电极提出了新的要求。目前，市场上主流的透明导电氧化物材料是氧化铟锡，即锡掺杂三氧化二铟(ITO)。ITO电阻率可达10-4Ω·cm量级，透光性能优异，目前占据了超过85％的市场份额。但在实际应用中，ITO主要成分铟资源匮乏，若以现有消耗速度，全球铟资源将在短时间内消耗殆尽，ITO已不能满足日益增长的市场需求，因此寻找资源丰富，性能优异的新型透明导电氧化物电极材料迫在眉睫。目前研究应用较多的新型氧化物体系是基于TiO2、ZnO和SnO2的一元或多元氧化物体系。ZnO体系对酸碱的耐受力低，在CO2环境中易被腐蚀，大大影响器件性能和寿命。SnO2系统的掺杂元素F及Sb等有毒。相较而言，Ti资源在三者中最为丰富，成本低，且掺杂的TiO2基透明导电薄膜表现出优异的光电性能，被广泛应用于发光二极管、平板显示、太阳能电池器件等领域。目前，研究最多，性能较好的TiO2基透明导电薄膜掺杂剂是Nb如CN103325913A公开的发光二极管中复合透明导电层用到高价金属原子(Nb)掺杂的氧化钛层；CN102239564A公开的一种包括至少一个薄膜太阳能电池和导电透明氧化物层的太阳能电池器件中，所述导电透明氧化物层可为Nb-TiO2；CN101036200B公开的透明导体由金属氧化物构成，所述金属氧化物为具有锐钛矿型结晶结构的Nb:TiO2。其理论透光率和电阻率可与ITO媲美，可应用于目前ITO适用的大部分领域，成本更低，同时也克服了ITO环境及化学稳定性低、易破碎等缺点，具有更广阔的应用前景。在实际生产应用中，材料的开发潜力还与制备方法密切相关。简单、易控、高效、低能耗的制备方法是材料市场化的关键一环。美国PPG公司在CN102858706B中公开了采用化学气相沉积(CVD)法制备Nb掺杂二氧化钛(Nb:TiOx，x为1.8～2.1)导电膜，具体
是使用铌前体乙醇铌和钛前体四异丙醇钛涂覆加热的平坦玻璃板。该方法工作温度高，能耗高，薄膜与衬底结合力低，且反应过程涉及多种高活性有机/无机气体源，不易控制，易产生环境有害中间物质，需增加尾气处理环节，使生产成本增加。CN102181825B公开了一种籽晶层辅助的高性能TiO2基透明导电薄膜，在籽晶层上利用该籽晶层诱导生长掺杂TiO2覆盖层，覆盖层中掺杂元素总量为Ti元素的0.25mol％～20mol％，掺杂元素包括Nb。该技术方案优选薄膜透光率和电阻率均可达应用要求，但由于此方法必须采用溶胶-凝胶法制备籽晶层，导致厚度不宜控制，薄膜总厚度过大(800nm～1.8μm)，且薄膜致密度低，与衬底的界面质量差，不满足光电器件对TCO电极质量的要求。CN102931285A公开了一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，是先制备TiO2与Nb2O5共掺的氧化物陶瓷靶材，再采用磁控溅射法制备铌掺杂二氧化钛透明导电膜。该方法采用氧化物陶瓷靶，生产效率低，且需要在550-650℃的溅射温度镀膜，增加对衬底的耐高温的要求，不适用于普通玻璃衬底，且沉积效率低，其需要在高真空下退火也大大限制了该方法的进一步应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，获得具有优越的光电性能的透明导电膜，同时生产效率高，生产成本低，能耗低。本专利技术的第二个目的是提供一种上述制备方法所得的铌掺杂二氧化钛透明导电膜。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，包括以下步骤：1)以氩气为等离子体气源，以氧气为反应气体，采用远源等离子体溅射技术在衬底上溅射沉积薄膜，得半成品；所用溅射靶材中，Nb的原子数为Nb、Ti原子总数的2％～8％；溅射过程中，氧气的体积流量为氩气体积流量的5％～20％，等离子体发射源功率为1100～2000W，靶材加速偏压功率为1300～1510W；2)将步骤1)所得半成品在280～400℃条件下进行晶化退火处理，即得。远源等离子体溅射技术(HiTUS)是一种高靶材利用率的溅射技术，它是通过靶材远处产生的高密度等离子体完成溅射的。现有技术中，与之相对应的远源等离子体溅射系统在其真空室(溅射腔室)侧壁固定有等离子体发射系统(The Plasma Launch System，PLS)，即石英玻璃管外缠绕有射频线圈天线；等离子体由此产生并经PLS出口处的发射电磁圈放大，并由聚束电磁线圈完成等离子体方向的聚焦与控制。通过对每一个电磁线圈电流进行精密控制，可以对等离子体束进行导向，这样能够覆盖靶材的全部表面。这种条件下，靶材表面氩离子处于低能(30～50eV)高密度(离子数1012～1014/cm3)状态。因此靶材得
到了均匀的刻蚀，与常规的磁控溅射相比大大减轻了靶中毒的现象，同时也大大提高了溅射沉积薄膜的沉积速率。等离子体束打在靶材上轰击出的粒子并不能直接溅射到有一定距离的衬底上，而是停留悬浮在靶材表面附近，需要给这些带电离子施加一个合适的加速电压，让它们飞向衬底表面。步骤1)中所述溅射可以是反应溅射，是指在溅射过程中不断通入氧气作为反应气体，和溅射出的靶材粒子在空中结合并发生反应，在给靶材底部提供的加速偏压的作用下，以反应产物的形式飞向衬底并粘附在衬底表面上，沉积形成一层致密的纳米薄膜。本专利技术的铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，利用射频等离子发射系统产生高密度低能量等离子体，并利用溅射功率控制当量靶材偏压，以加速等离子体中的重离子，实现高效溅射。所述衬底为透明材料衬底。优选的，步骤1)所述衬底为玻璃衬底或石英衬底。所述衬底使用前经过清洗；将清洗后的衬底固定在远源等离子体溅射系统的溅射腔体内，准备进行溅射。溅射之前，将溅射腔体内抽真空真空度低于1×10-3Pa。然后向腔室内通入一定流量的氩气，待腔室内的压强保持稳定后，调节射频等离子体源(PLS)的功率，以产生低能量高密度等离子体(<50eV)。所用的氩气为纯度不低于99.999％的高纯气体。所述射频等离子体源的每单位源截面(1cm2)5～50W。所用溅射靶材为铌钛合金、铌钛金属组合靶或铌钛金属氧化物混合靶。所述铌钛金属组合靶为钛金属靶与铌金属靶的组合，由相对金属靶的有效面积的比例调节薄膜金属元素相对含量。步骤1)的溅射过程中，溅射腔体内的压力为0.35～0.4Pa。等离子体稳定后，调节靶材直流功率，以大幅度增加等离子体溅射源中氩离子的能量；向腔室内通入氧气，待靶材电流和气压均稳定后，开始溅射沉积薄膜。其中，调节靶材功率使当量靶材偏压为-200～-1000V。所用氧气为纯度>99.99％的高纯气体。溅射过程中，薄膜沉积速率为12～250nm/min，沉积时间为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)以氩气为等离子体气源，以氧气为反应气体，采用远源等离子体溅射技术在衬底上溅射沉积薄膜，得半成品；所用溅射靶材中，Nb的原子数为Nb、Ti原子总数的2％～8％；溅射过程中，氧气的体积流量为氩气体积流量的5％～20％，等离子体发射源功率为1100～2000W，靶材加速偏压功率为1300～1510W；2)将步骤1)所得半成品在280～400℃条件下进行晶化退火处理，即得。

【技术特征摘要】
1.一种铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)以氩气为等离子体气源，以氧气为反应气体，采用远源等离子体溅射技术在衬底上溅射沉积薄膜，得半成品；所用溅射靶材中，Nb的原子数为Nb、Ti原子总数的2％～8％；溅射过程中，氧气的体积流量为氩气体积流量的5％～20％，等离子体发射源功率为1100～2000W，靶材加速偏压功率为1300～1510W；2)将步骤1)所得半成品在280～400℃条件下进行晶化退火处理，即得。2.根据权利要求1所述的铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，其特征在于：步骤1)所述衬底为玻璃衬底或石英衬底。3.根据权利要求2所述的铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，其特征在于：所用溅射靶材为铌钛合金、铌钛金属组合靶或铌钛金属氧化物混合靶。4.根据权利要求1所述的铌掺杂二氧化钛透明导电膜的制备方法，其特征在于：溅射之...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵国胜，胡俊华，陆柳，宋安刚，郭美澜，付振亚，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41