本发明专利技术属于透明导电薄膜技术领域，具体为非晶掺钨二氧化锡透明导电薄膜及其制备方法。本发明专利技术以二氧化锡和金属钨粉末经研磨混合、压片、烧结获得的块体材料为靶材；在普通玻璃衬底上利用脉冲等离子体沉积（ＰＰＤ）技术，制备获得具有非晶结构的ＳｎＯ↓［２］：Ｗ薄膜。所制备的薄膜具有电阻率低、载流子迁移率高、可见光范围透射率高、以及近红外范围透射率高等优良的光学和电学性能。本发明专利技术方法获得的薄膜在平板显示、光电传感器和太阳能电池领域具有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于透明导电薄膜
，具体涉及一种掺钨二氧化锡非晶透明导电氧化物 薄膜及其制备方法。
技术介绍
透明导电氧化物薄膜(TCO)因具有金属的导电性和可见光区透明性，成为平板显示器、 太阳能电池和透明电子器件中不可或缺的材料。惨锡氧化铟(ITO) —直是商业上应用最 多的透明导电材料，但金属铟的储量有限，不能满足日益扩大的市场需求，在过去的几年 内，其价格翻了十倍！因此探索ITO薄膜的替代材料成为今后透明导电薄膜研究的趋势之 一。目前，人们正在通过各种方法包括工艺技术、选择不同的基质材料(如111203、 ZnO、 Sn02等)、掺杂不同元素(如高价态金属元素)、多层膜结构和多组分等致力于改善和优化 TCO薄膜的性能，以适应和开发新的应用领域。二氧化锡基薄膜材料是最早获得商业应用的透明导电材料，具有很好的化学稳定性， 不但可以避免ITO薄膜中铟扩散对光电器件性能的影响，而且可以克服掺铝氧化锌薄膜存 在的氧吸附问题，是制备高效、高稳定性薄膜太阳能电池窗口电极和光电器件的重要材料。 近年来，对二氧化锡基透明导电薄膜的研究主要集中在通过阳离子或阴离子替位掺杂来提 高其光电性能，研究较多的是通过掺杂形成SbS+替位Sii和F—替位02—的ATO透明导电薄 膜和FTO透明导电薄膜。ATO薄膜在不同的温度和氧分压下会出现Sb和Sb^两种价态， 如果SbS+取代Sn4、则引入一个距离Sn02导带很近的施主能级；Sb取代Sn4+，则产生一 个距离Sn02价带很近的受主能级。通常情况下，这两种情况都会发生，出现复合、补偿 效应，使得惨杂效率降低。本专利技术考虑到钨的高价态稳定性和与锡更加接近的离子半径 (W6+:67pm;Sn4+: 69pm;Sb4+:62pm;Sb^:245pm)，首次对二氧化锡基体进行钩掺杂，通过脉 冲等离子体技术得到了具有低电阻率、高载流子迁移率、高可见光透射率和近红外透射率 的非晶结构Sn02:W透明导电薄膜。此外，本实验技术制备的不掺杂非晶Sn02薄膜也具有 较好的导电性和透明性。脉冲等离子体沉积技术(PPD)同脉冲激光沉积(PLD)方法类似，均是基于烧蚀镀 膜的过程，即把一个很高的能量瞬间转移到靶材表面的很小部位，造成其温度高于升华限 制，这样靶材就被烧蚀出来并利用剩余的动能运动到基板表面而沉积形成薄膜。PLD具有 与PLD同样的有效性和普适性，但操作上更为简单，设备成本更为低廉。本方法制备的非晶Sn02:W透明导电薄膜具有大规模生产性，在平板显示、透明光电器件和太阳能电池和近红外传感器等领域具有良好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种新型的不含昂贵金属铟的透明导电氧化物薄膜及其制备 方法。本专利技术提出的非晶透明导电氧化物薄膜，是一种掺钨二氧化锡Sn02:W薄膜，由脉冲 等离子体沉积方法制备获得。具体是在玻璃衬底上、以氧气和氩气为工作气体，在基板温 度为380-420°C时制备得到非晶结构的Sn02:W薄膜，厚度为50-120 nm，钨的掺杂量为 Sn02质量的0.5%-5%，该薄膜的载流子迁移率在(21.4-45.7)cn^/V's之间，自由载流子浓度 在(4.3-9.6)Xl(^cm—3之间，电阻率最低达到2.1x10—3 Rcm，可见光区域的平均透射率高于 89%，近红外区域的平均透射率达到95%。本专利技术提出的新型透明导电氧化物薄膜的制备，采用脉冲等离子体沉积方法，具体步 骤为以掺钨二氧化锡粉末为原料，经过研磨、压片、烧结形成陶瓷靶，其中，钨的掺杂 量为二氧化锡(Sn02)质量的0.5%-5%，以普通玻璃为基板，在基板温度为380-420°C的条 件下，以氧气和氩气为工作气体，工作压强为2.8-3.2 Pa，氧气分压为1.2-2.0Pa，脉冲电 流为3.2-4.0 mA，脉冲电压为-14kV—-18kV，沉积时间为10-100分钟，即形成具有非晶结 构的掺钨二氧化锡透明导电氧化物薄膜。本专利技术较佳的制备条件如下基板温度为400。C一1(TC，氧分压为1.2-2.0 Pa。脉冲等离子体沉积时，沉积条件为脉冲电流3.6mA，脉冲电压-15kV--16kV，沉 积时间20-30分钟。钨的掺杂量为Sn02质量的1%-3%。本专利技术方法制得的非晶透明导电氧化物薄膜厚度为50-120nm，并可根据需要，通过控 制烧蚀时间来调节膜厚。实验结果表明，本专利技术制备的非晶Sn02:W薄膜具有电阻率低、载流子迁移率高、可 见光范围和近红外范围光学透明性好的特性，其载流子迁移率为21.4-45.7 cm2/V.s，载流 子浓度为4.3-9.6X1019cm-3，最低电阻率分别为2.1xl(T3Qxm，可见光区域(400-200nm)的 平均透射率(不含基板)高于89%，近红外区域(700-2500nm)的平均透射率(不含基板) 约为95%。在透明电子器件中具有潜在的应用价值。而且本专利技术方法的工艺成本低，性能 稳定，薄膜沉积速率高。本专利技术制备的薄膜在拓展太阳能电池窗口电极对可见光波段和近 红外波段的有效利用方面具有良好的应用前景。 附图说明图1.不同掺钨含量和不同氧分压制备的掺钨二氧化锡薄膜的x射线衍射图。图2不同掺钨含量对非晶掺钨二氧化锡薄膜电学性质的影响。 图3非晶掺钨二氧化锡薄膜在320-3200 nm范围的透过率曲线。 具体实施例方式下面通过具体实施例进一步描述本专利技术实施例1，制备掺钨二氧化锡陶瓷靶将化学纯二氧化锡和钩的混合粉末经过研磨混合均匀，在空气中经过800°C烧结12小时，冷却后再进行研磨混合均匀，再在13 MPa下 保持10分钟压成直径为25mm、厚度为3mm的靶，进行850°C、 12h烧结成靶。基片是普 通载玻片，先后经过纯水、酒精超声波各15分钟清洗。钨掺杂含量为lwt。/。。薄膜沉积前先将沉积室抽真空到低于6.5Xl(^Pa，然后通过可 变气导阀将02和Ar气体通入真空室。沉积室内的工作压强为3.0 Pa，普通玻璃衬底温度 为400。C，氧分压为1.8Pa，工作电流3.6mA，工作电压-16kV，沉积时间20分钟。薄膜 厚度为72 nm，载流子迁移率在44 cmVV's，载流子浓度为4.9X 1019cm—3，电阻率为2.9x10—3 Q-cm，可见光区域的平均透射率高于89%(不含基底)，近红外区域的平均透射率达到95% (不含基底)。实施例2，制备掺钨二氧化锡陶瓷靶将化学纯二氧化锡和鸨的混合粉末经过研磨混 合均匀，在空气中经过800。C烧结12小时，冷却后再进行研磨混合均匀，再在13MPa下 保持10分钟压成直径为25mm、厚度为3mm的靶，进行850°C、 12h烧结成靶。基片是普 通载玻片和石英玻璃，先后经过纯水、酒精超声波各15分钟清洗。钨掺杂含量为3wt。/。。薄膜沉积前先将沉积室抽真空到低于6.5X10—3 Pa，然后通过可 变气导阀将02和Ar气体通入真空室。沉积室内的工作压强为3.0 Pa，普通玻璃衬底温度 为400°<:，氧分压为1.2Pa，工作电流3.6mA，工作电压-16kV，沉积时间20分钟。薄膜 厚度为60 nm，载流子迁移率21.4 cm2/V's，载流子浓度5.8X 1019cm—3,电阻率3.6x10—3 dcm， 可见光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非晶透明导电氧化物薄膜，其特征在于是一种掺钨二氧化锡ＳｎＯ↓［２］：Ｗ薄膜，由脉冲等离子体沉积方法制备获得，薄膜厚度为５０－１２０ｎｍ，其中，Ｗ的含量为ＳｎＯ↓［２］质量的０．５％－５％。
【技术特征摘要】
1.一种非晶透明导电氧化物薄膜，其特征在于是一种掺钨二氧化锡SnO2:W薄膜，由脉冲等离子体沉积方法制备获得，薄膜厚度为50-120nm，其中，W的含量为SnO2质量的0.5％-5％。2. —种如权利要求1所述的非晶掺钨二氧化锡透明导电薄膜的制备方法，其特征是采用脉冲等离子体沉积技术，具体步骤如下以掺钨二氧化锡粉末经研磨混合、压片、烧结形成的块体材料为靶材，钨的掺杂量为Sn02质量的0.5%-5%，以普通玻璃为基板，在基 板温度为，380-42(TC的条件下，以氧气和氩气为工作气体进行沉积，反应室内的工作压强 为2.8-3...
【专利技术属性】
技术研发人员：张群，黄延伟，李桂峰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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