金屬復合雙層-多層透明導電薄膜的制備及其光電性能研究.pdf

1、透明導電氧化物(TCO)薄膜作為半導體材料中的一種特殊形態(tài)，在諸如太陽能電池、液晶顯示器、觸控面板、氣敏傳感器、發(fā)光二極管等當代科學技術的各個領域得到了廣泛的應用。作為一種常見的TCO薄膜，摻氟二氧化錫(FTO)薄膜具有可見光區(qū)透光率高、導電性好、化學性質(zhì)穩(wěn)定、室溫下抗酸堿性強、激光刻蝕容易、可大面積制備且成本相對較低等諸多優(yōu)點，已逐漸成為摻錫氧化銦(ITO)薄膜的替代用品而被廣泛開發(fā)利用。然而，傳統(tǒng)制膜工藝制備的單層FTO薄膜，其光電

2、性能仍不能滿足迅速發(fā)展的光電器件的應用需求?；诖?，本文以FTO透明導電薄膜為對象，實現(xiàn)了基于金屬層復合的雙層/多層透明導電薄膜的優(yōu)化制備，著重研究了爐內(nèi)退火、爐內(nèi)/激光雙重退火、磁場輔助激光退火、激光織構化處理、爐內(nèi)逐層退火等方法對薄膜表面形貌、結構和光電性能的影響，并獲得了一些有意義的結果。
　　1、采用爐內(nèi)退火方法對Ag/FTO薄膜進行處理，考察了Ag層厚度、退火時間和氮氣流量對薄膜表面形貌、結構和光電性能的影響，探討了Ag

3、層轉(zhuǎn)變?yōu)锳g納米粒子(AgNPs)的最佳條件和AgNPs大小、形貌對薄膜光電性能的影響。實驗結果顯示，Ag層厚度為5nm、退火溫度為450℃、氮氣流量為10 sccm、退火時間為20 min時，Ag/FTO薄膜表面形成了大小均勻、外形圓整、尺寸約為70 nm、密集分布的AgNPs，此時得到的AgNPs/FTO薄膜的綜合光電性能最佳，品質(zhì)因子為1.39×10-2Ω-1，高于原始FTO薄膜。
　　2、采用爐內(nèi)/激光雙重退火方法對Ag/

4、FTO薄膜進行處理，研究了激光能量密度和掃描速度對薄膜表面形貌、結構和光電性能的影響，并與單純的爐內(nèi)退火和單純的激光退火進行了比較。結果表明，爐內(nèi)退火可使Ag層先轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽巛^小的AgNPs，而隨后的激光退火又使得AgNPs發(fā)生重熔并與底層SnO2顆粒形成連續(xù)重聚層，因此薄膜的光電性能尤其是導電性得到了進一步提高。實驗結果顯示，當激光能量密度和掃描速度分別為0.9 J/cm2和10 mm/s時，爐內(nèi)/激光雙重退火處理獲得的Ag/FTO薄膜

5、具有最佳綜合光電性能，品質(zhì)因子為1.71×10-2Ω-1。
　　3、采用磁場輔助激光退火方法對Ni/FTO薄膜進行處理，研究了激光能量密度、磁場的存在以及磁場方向?qū)Ρ∧け砻嫘蚊?、結構和光電性能的影響。結果表明，磁場輔助激光退火時的最佳激光能量密度為0.9 J/cm2。與激光退火相比，磁場輔助激光退火后薄膜中晶粒的尺寸更大，因此薄膜透光率的提高更為顯著。采用垂直磁場輔助激光退火后，薄膜表面形成由稀疏分布和聚集顆粒組成的不連續(xù)Ni層，

6、使得薄膜的導電性低于激光退火;而采用橫向磁場輔助激光退火后，薄膜表面的Ni層變得連續(xù)且致密，此時薄膜的綜合光電性能最佳，品質(zhì)因子達到2.27×10-2Ω-1。
　　4、采用激光誘導織構化方法對不同的金屬/FTO(M/FTO)薄膜進行處理，探討了激光能量密度對薄膜表面絨面結構形成和光電性能的影響，對比研究了激光誘導織構化對金屬層材料的選擇性以及爐內(nèi)預退火輔助激光織構化處理實現(xiàn)薄膜光電性能優(yōu)化的可行性。結果表明，激光輻照可在Pt/FT

7、O、Ag/FTO和Cu/FTO薄膜表面同時實現(xiàn)光柵結構制備和激光退火，而Al/FTO薄膜表面只受到激光退火作用，未能形成激光誘導光柵結構。Pt/FTO薄膜表面激光誘導光柵結構形成的最佳條件為離焦量2.5 mm、激光能量密度1.05 J/cm2，此時薄膜的透光性和導電性均得到最大程度的優(yōu)化。爐內(nèi)退火與激光誘導織構化相結合可更大程度改善M/FTO薄膜的導電性。實驗結果顯示，激光誘導光柵織構化的預退火Ag/FTO薄膜具有最佳綜合光電性能，品質(zhì)

8、因子達到2.16×10-2Ω-1。
　　5、采用爐內(nèi)逐層退火方法對不同的AZO/M/FTO薄膜進行處理，并與一步退火方法進行了對比，研究了退火溫度和AZO層厚度對薄膜表面形貌、結構和光電性能的影響。結果表明，逐層退火比一步退火更有利于薄膜透光率和導電性的提高。在400℃下逐層退火得到的AZO/Pt/FTO薄膜可獲得3.64×10-2Ω-1的最佳品質(zhì)因子。當AZO層厚度為500 nm時，逐層退火后得到的AZO/AgNPs/FTO薄膜