一种铜掺氧化锌透明导电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种CZO透明导电薄膜，成分组成为：Cu(1at.％～2at.％)，Zn(48at.％～50at.％)，O(50at.％～52at.％)，呈纤维状生长结构，包括多条被阻断的柱状晶，相邻柱状晶之间无微裂纹或微孔洞，密度为5.3～5.5g/cm3。该导电薄膜具有较低的电阻率，较好的透光率。本发明专利技术还提供了一种CZO透明导电薄膜的制备方法，包括：向镀膜腔室抽真空，持续通入惰性气体，设置靶电源参数，采用纯CZO陶瓷靶在基体上进行单靶溅射、以ZnO陶瓷靶和金属Cu靶在基体上进行双靶共溅射或以ZnCu合金靶在基体上进行反应溅射以形成CZO透明导电薄膜。该方法制备简单、高效。高效。高效。

【技术实现步骤摘要】
一种铜掺氧化锌透明导电薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于透明导电薄膜
，具体涉及一种掺铜氧化锌(CZO)透明导电薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着触屏显示技术的不断发展，对触屏的灵敏度和分辨率也要求越来越高，而灵敏度和分辨率很大程度上取决于触屏装置中透明导电膜的电阻率，电阻率越低触屏显示器的灵敏度和分辨率就越高。
[0003]目前，工业生产上使用最多的透明导电膜为掺Sn的In2O3(简称：ITO)，其电阻率大约为<10
‑4Ω.cm和在可见光范围内的透光率>85％，很好的满足了触屏显示技术的要求。但由于地壳中铟元素的储量很低且铟本身有毒，难以支持ITO薄膜在未来显示技术中的大规模应用。
[0004]ZnO是一具有多种优异性能的宽带隙半导体材料，被称为万能材料，在压敏器件、传感器、紫外、蓝绿发光器件等很多方面都极具应用前景。对半导体材料进行掺杂处理，可以极大地改变其物化性能，有望制备出性能极佳的ZnO光电器件。
[0005]作为纳米材料领域的一大热门，纳米ZnO材料作为一种纳米材料与重要半导体两方面的结合，有着“未来材料”之美誉。从1935年至今，特别是近二三十年，大批科研工作者投身其中，对氧化锌材料的晶体结构、生长行为以及各种性质的应用研究一直未有停止。当前ZnO的研究重心也从形貌制备、性能研究，发展到先进器件实验制备的阶段。目前在本征ZnO的研究方面已经较为成熟，多种形貌结构的可控制备，及其光电等性能的理论及潜在应用方面的研究，都已越发彰显着纳米ZnO材料极大的应用前景与市场价值。
[0006]掺杂是改变半导体材料性能的关键手段，为了制备出性能优异的ZnO基光电器件，在制备ZnO纳米材料过程中，对ZnO进行改性掺杂非常重要。过渡金属元素的掺杂常能够改变ZnO的光、电、磁学等性能，被认为是很好的一种掺杂剂，所以对这类金属元素的掺杂研究也是非常有意义的工作。
[0007]与ITO薄膜相比，Cu掺杂的ZnO透明导电膜(简称：CZO)因其原材料丰富、成本低、性能优异等特点，在未来触屏显示技术中具有重要意义。基于以上原因，亟需研发一种CZO薄膜使得该CZO薄膜电阻率可以和ITO薄膜相比拟，具有较好的透光率。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种CZO透明导电薄膜，该导电薄膜具有较低的电阻率，较好的透光率。
[0009]一种CZO透明导电薄膜，所述的透明导电薄膜成分组成为：Cu(1at.％～2at.％)，Zn(48at.％～50at.％)，O(50at.％～52at.％)，其中at.％指原子百分比，Cu在薄膜中是以+1价和+2价同时存在；
[0010]所述的CZO透明导电薄膜呈纤维状生长结构，包括多条被阻断的柱状晶，相邻柱状
晶之间无微裂纹或微孔洞，密度为5.3～5.5g/cm3。
[0011]由于Cu原子半径小于Zn原子半径，且Cu
2+
的半径(r Cu
2+
＝0.073nm)小于Zn
2+
(r Zn
2+
＝0.074nm)，而Cu
+
半径为0.096nm远大于Zn
2+
，这样通过控制合适的Cu含量到ZnO中，部分Cu
2+
替代Zn2+不会引起太大的晶格畸变，而部分Cu
+
替代Zn
2+
，由于电位不相等，产生多余的电子，这些存在的电子是提高透明导电膜导电率的关键。再者，由于Cu原子和Zn原子半径差别不大，不会引起较大的晶格畸变，制备的导电膜结构致密，更利于电子的传播，制备的薄膜电阻率低。
[0012]而这些结构致密的导电膜表现在微观生长结构上呈现为纤维状柱状晶生长结构且相邻柱状晶之间无微裂纹或微孔洞，使得自由电子能够较容易的迁移，从而形成较低电阻率的，较好透光率的CZO透明导电薄膜。
[0013]所述的CZO透明导电薄膜的晶体结构为具有(0002)取向的六方结构，晶面间距为(0002)取向的失配度为1.0
°
～2.2
°
，晶粒尺寸为20～60nm。由于(0002)取向的失配度较低，晶面间距较少，使得自由电子具有较好移动传播能力。
[0014]所述的CZO透明导电薄膜的电阻率为3
×
10
‑4～6.5
×
10
‑4Ω.cm。
[0015]所述的CZO薄膜在2θ＝30
°
～70
°
范围内利用X射线衍射测试在2θ＝34.43
°
出现(0002)衍射峰，和2θ＝72.55
°
出现(0004)高阶衍射峰，且(0002)的衍射峰强度I(0002)与(0004)的衍射峰强度I(0004)存在I(0002)>>I(0004)。
[0016]CZO薄膜的晶体结构决定薄膜的导电率高低，理论上CZO薄膜晶体结构越接近单晶结构，且缺陷越少，其导电率和透光率性能越优异，所以本专利技术强调出现越少的衍射峰，说明CZO薄膜越接近单晶结构。且I(0002)>>I(0004)说明晶面更接近一种晶面排布，间接表明晶体的排布比较对称和完整，利于形成高导电率的CZO薄膜。
[0017]晶体结构越完美(越接进单晶结构)和缺陷较少，当光线穿过时，对光线的散射较少，更利于光线的穿过，进而可以提高透光率。
[0018]所述的CZO薄膜的半高宽为0.14
°
～0.30
°
，进一步的，CZO薄膜的半高宽为0.15
°
～0.18
°
。
[0019]根据谢乐公式半高宽表明晶粒的大小，半高宽越小，则表明晶粒越大，结晶越好，同样晶粒大小，晶格畸变，内应力的影响也会导致峰形的变化(如半高宽宽化、不对称变化等)和峰位的偏移。所以本专利技术限制半高宽就是限定晶粒的大小和晶格畸变的程度。
[0020]所述的CZO薄膜的厚度在50～1000nm。
[0021]本专利技术还提供了一种CZO透明导电薄膜的制备方法，包括：
[0022]将镀膜腔室抽真空，当抽至背底真空低于2
×
10
‑4Pa以下时，通入Ar和O2气体，并控制Ar与O2的流量比例，设置靶电源参数，并控制工作气压为0.2～1Pa，之后对基体进行沉积得到CZO薄膜；
[0023]其中，在沉积过程中可采用CZO陶瓷靶进行单靶溅射，以ZnO陶瓷靶和金属Cu靶进行双靶共溅射，或以ZnCu合金靶与O2进行反应溅射的多种方式得到CZO透明导电薄膜。
[0024]作为优选，采用磁控溅射技术，并以高纯ZnO(99.99％)陶瓷靶和Cu靶为靶源进行双靶共溅射，对基体沉积得到CZO透明导电薄膜。
[0025]作为优选，所述的Ar与O2的流量比为Ar/O2＝X,1≤X≤2。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜掺氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述的透明导电薄膜成分组成为：Cu(1at.％～2at.％)，Zn(48at.％～50at.％)，O(50at.％～52at.％)，其中at.％指原子百分比，Cu在薄膜中同时以+1价和+2价存在；所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜呈纤维状柱状晶生长结构，相邻纤维状柱状晶之间无微裂纹或微孔洞，密度为5.3～5.5g/cm3。2.根据权利要求1所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜的晶体结构为具有(0002)取向的六方结构，晶面间距为(0002)取向的失配度为1.0
°
～2.2
°
，晶粒尺寸为20～60nm。3.根据权利要求1所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜的电阻率为3
×
10
‑4～6.5
×
10
‑4Ω.cm。4.根据权利要求1所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述的铜掺氧化锌薄膜的半高宽为0.14
°
～0.30
°
。5.根据权利要求1所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜，其特征在于，所述的铜掺氧化锌薄膜的厚度在50～1000nm。6.一种根据权利要求1
‑
5任一项所述的铜掺氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：将镀膜腔室抽真空，当抽至背底真空在2

【专利技术属性】
技术研发人员：李朋，孟凡平，葛芳芳，黄峰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：