B掺杂ZnO透明导电薄膜的实验及理论研究

采用脉冲直流磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法对B掺杂ZnO （BZO）薄膜进行了研究. 以B₂O₃：ZnO陶瓷靶为溅射靶材,制备了低电阻率、可见和近红外光区高透过率的BZO薄膜. 系统地研究了衬底温度对BZO薄膜的结构、光电特性的影响. 结果表明：适当的增加衬底温度可以促进BZO薄膜结晶质量改善,晶粒尺寸增加,迁移率增大,电阻率降低. 在200 ℃时制备了电阻率为7.03×10^-4 Ω·cm,400–1100 nm平均透过率为89%的BZO薄膜. 理论模拟结果表明：在BZO薄膜中,以替位方式掺入的B （B_Zn）的形成能最低,B主要以替位形式掺入ZnO,其次分别为八面体间隙（B_IO）和四面体间隙（B_IT）的掺杂方式. B 掺入后,费米能级穿过导带,材料表现出n型半导体特性,光学带隙展宽,导电电子主要来源于B 2p,O 2p及Zn 4s电子轨道. 关键词： BZO薄膜 第一性原理计算 磁控溅射 太阳电池     

W掺杂ZnO透明导电薄膜的理论及实验研究

本文从理论与实验两方面入手, 对高价态差金属W掺杂ZnO (WZO) 薄膜材料的特性进行分析讨论. 采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法对WZO材料特性进行理论分析, 计算结果表明: W以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 由于W-O键的键长较长引起晶格常数增加, 产生晶格畸变; 掺杂后费米能级进入导带, 其附近的导电电子主要由W 5d, O 2p及Zn 3d电子轨道提供, 材料表现出n型半导体的特性; 同时能带简并效应使其光学带隙展宽. 为进一步验证该理论分析结果的适用性, 本文采用脉冲直流磁控溅射技术进行了本征ZnO及WZO薄膜的实验研究, 结果表明: W掺入未改变ZnO的生长方式, 但引起薄膜的晶格常数增加, 电阻率由本征ZnO的1.35× 10^-2 Ω·cm减小到1.55× 10^-3 Ω·cm, 光学带隙由3.27 eV展宽到3.48 eV. 制备的WZO薄膜在400-1100 nm的平均透过率大于83%. 实验结果对理论计算结果进行了验证, 表明WZO薄膜作为透明导电薄膜的应用潜力.     

F,Al共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备及掺杂机理研究

本文采用磁控溅射技术,对F和Al共掺杂ZnO (FAZO)薄膜进行研究,系统地研究了溅射气压对薄膜结构、形貌、光电等特性的影响.实验研究结果表明:F, Al共掺入并未改变ZnO的生长方式,所制备的薄膜都呈(002)择优生长;随着溅射气压增加, FAZO薄膜的沉积速率降低,结晶质量恶化,表面形貌由"弹坑状"逐渐变为"弹坑状"与"颗粒状"并存的形貌特性,表面粗糙度增加.在0.5 Pa时制备的FAZO薄膜性能最优,迁移率40.03 cm²/(V·s),载流子浓度3.92×10²⁰ cm^–3,电阻率最低,为3.98×10^–4 W·cm, 380—1200 nm平均透过率约90%.理论模拟结果表明:F和Al的共掺杂兼顾了F, Al单独掺杂的优点,克服了以往金属元素掺杂仅依靠金属元素轨道提供导电电子的不足,实现了既增加载流子浓度又减少了掺入原子各轨道间相互作用对载流子散射的影响.掺入的F 2p电子轨道对O 2p及Zn 4s电子轨道产生排斥,使它们分别下移,提供导电电子;同时掺入的Al的3s和3p电子轨道也为导电...     

室温制备低电阻率高透过率H,W共掺杂ZnO薄膜

采用脉冲直流磁控溅射法,以WO3:ZnO陶瓷靶为溅射靶材,通过在溅射气氛中引入H2的方式,在室温条件下制备了低电阻率、高可见和近红外光区透过率的H,W共掺杂ZnO (HWZO)薄膜.系统地研究了H2流量对所制备的HWZO薄膜的结构、组分、元素价态、光电特性的影响.结果表明:掺入的H可促进Zn的氧化,改善薄膜的结晶质量,提高薄膜透过率.H引入之后薄膜的载流子浓度增加,电阻率降低.在H2流量为6mL/min时制备的HWZO薄膜性能最优,电阻率为7.71×10-4 Ω·m,光学带隙为3.58 eV,400-1100 nm的平均透过率为82.4％.     

磁控溅射制备本征ZnO/Ag/ZnO透明导电薄膜的性质研究

室温下采用射频磁控溅射氧化锌（ZnO）粉末靶、银（Ag）靶,在玻璃衬底上制备ZnO/Ag/ZnO透明导电薄膜。首先,ZnO厚度为30 nm时,改变Ag厚度制备3层透明导电薄膜,研究Ag层厚度及膜层间配比对光电性能的影响;其次,按ZnO∶Ag厚度比为30∶11比例制备不同厚度的3层透明导电薄膜,研究多层厚度对薄膜光电性能的影响。结果表明：Ag厚度为8 nm及11 nm的ZnO/Ag/ZnO表面相对平整,结晶程度较好,在可见光范围内最高透过率达到90%及86%,并且方块电阻为6 Ω/□及3.20 Ω/□,具有优良的光电性;当按配比制备ZnO/Ag/ZnO 3层膜时,增加ZnO厚度对Ag层的增透作用反而减弱,同时增加Ag层厚度也会降低3层薄膜的整体光学性。     

衬底温度对MOCVD法沉积ZnO透明导电薄膜的影响

研究了衬底温度对MOCVD技术制备的ZnO薄膜的微观结构和光电特性影响. XRD和SEM的研究结果表明，衬底温度对ZnO薄膜的微观结构有显著影响，明显的形貌转变温度大约发生在175℃，低于175℃，薄膜呈镜面结构，晶粒为球状，高于177℃的较高温度范围，薄膜从“类金字塔”状的绒面结构演化为“岩石”状显微组织；随着温度增加，薄膜的晶粒尺寸明显增大.绒面结构的未掺杂ZnO薄膜具有17.96 cm²/V·s的高迁移率和3.28×10^-2 Ω·cm的低电阻率，对ZnO薄膜的进一步掺杂和结构优化有望应用于Si薄膜太阳电池的前电极. 关键词： MOCVD ZnO薄膜 透明导电氧化物 太阳电池     

氮掺杂(1120) ZnO 薄膜磁性质研究

采用基于密度泛函理论(DFT)和局域密度近似(LDA)的第一性原理分析了氮掺杂(1120) ZnO 薄膜的磁性质.首先,研究了一个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,结果表明N 2p,O 2p和Zn 3d 发生自发自旋极化.其次,研究了二个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,9个不同几何结构的计算结果表明N原子之间具有FM耦合稳定性,而且具体分析了N掺杂ZnO铁磁稳定性的产生原因.最后,讨论了氮 关键词： 第一性原理 半导体 铁磁性     

氮掺杂（1120）ZnO薄膜磁性质研究

采用基于密度泛函理论（DFT）和局域密度近似（LDA）的第一性原理分析了氮掺杂（1120）ZnO薄膜的磁性质.首先,研究了一个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,结果表明N2p,O2p和Zn3d发生自发自旋极化.其次,研究了二个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,9个不同几何结构的计算结果表明N原子之间具有FM耦合稳定性,而且具体分析了N掺杂ZnO铁磁稳定性的产生原因.最后,讨论了氮掺杂ZnO磁交换系数和居里温度.计算结果表明N掺杂（1120）ZnO薄膜具有弱铁磁性.     

H/Al共掺杂对ZnO基透明导电薄膜光电性质和晶体结构的影响

利用H在ZnO中作为浅施主杂质的特性,研究了H掺杂对ZnO：Al透明导电薄膜特性的影响。通过降低ZnO：Al中Al的含量并同时引入H掺杂,解决了透明导电薄膜中高导电性与高透过率之间的矛盾。H的掺杂可以显著降低ZnO基透明导电薄膜的电阻率,这是由于H一方面作为施主可以提供电子从而提高了自由载流子浓度;另一方面与ZnO晶界中的O^-结合降低了晶界势垒,提高了载流子迁移率。利用H掺杂,可以在Al掺杂量降低10倍的情况下,仍然能获得低电阻率（6.3×10^-4 Ω·cm）的透明导电薄膜,同时其近红外波段（1 200 nm）透光率从64%提高到90%。这种具有高导电性和高透光性的透明导电薄膜可以应用于各类薄膜太阳能电池中以提升器件效率。     

直流反应磁控溅射制备掺铟ZnO透明导电薄膜的研究

本文介绍了掺铟ZnO透明导电膜的制备工艺.并应用半导体物理理论分析了薄膜的导电机理,用Drude理论建立了物理模型,分析与计算了薄膜从可见到红外光波段的光学性能,结果表明,理论计算与实测值两者符合得较好.     

ZnO退火条件对硫化法制备的ZnS薄膜特性的影响

采用反应磁控溅射法在玻璃和石英衬底上沉积了ZnO薄膜, 然后经过不同条件退火和在H22S气氛中硫化最终得到ZnS薄膜. 用x射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和UV—VIS分光光度计 对ZnS薄膜样品进行了分析. 结果表明, ZnO薄膜硫化后的晶体结构和光学性质取决于它的退 火条件. 真空和纯O2₂中退火的ZnO薄膜硫化后只是部分形成六角晶系结构的ZnS . 而在空气 和纯N2₂中退火的ZnO薄膜则全部转变为ZnS, 在可见光范围内的光透过率 关键词： ZnS薄膜 磁控溅射 ZnO硫化 太阳电池     

不同参数溅射的ZnO薄膜硫化后的特性

采用直流反应磁控溅射法在玻璃和石英衬底上沉积了ZnO薄膜, 然后将它们在H^２S气流中 硫化得到ZnS薄膜．用x射线粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和UV-VIS透过光谱对Zn S薄膜样品进行了分析．结果表明, 该ZnS薄膜为六角晶体结构, 沿(002)晶面择优取向生长, 其结晶状态和透过光谱与工作气压、Ar/O^２流量比密切相关. 当气压高于1Pa 时, 得 到厚度很小的ZnS薄膜; 而气压低于1Pa时, 沉积的ZnO薄膜则不能全部反应生成ZnS. 另外, 当Ar/O^２流量比低于4∶1或高于4∶1时, 结晶状态都会变差. 此外, 由于ZnS薄 膜具有高 的沿(002)晶面择优取向的生长特性, 使得退火或未退火ZnO薄膜硫化后的晶粒尺寸变化很小 . 关键词： ZnS薄膜 磁控溅射 ZnO硫化 太阳电池     

Growth of transparent conducting nano-structured In doped ZnO thin films by pulsed DC magnetron sputtering

Transparent conducting nano-structured In doped zinc oxide (IZO) thin films are deposited on corning 7059 glass substrates by bipolar pulsed DC magnetron sputtering with variation of pulsed frequency and substrate temperature. Highly c-axis oriented IZO thin films were grown in perpendicular to the substrate on the 30 kHz and 500 °C. The IZO films exhibited surface roughness of 3.6 nm similar to the commercial ITO and n-type semiconducting properties with electrical resistivity (carrier mobility) of about 5 × 10⁻³ Ω cm (14 cm²/V s). The optical characterization showed high transmittance of over 85% in the UV-vis region and exhibited the absorption edge of near 350 nm. In micro-Raman spectra, the origin of two additional modes is attributed to the host lattice defect due to the addition of In dopant. These results suggest that the IZO film can possibly be applied to make transparent conducting electrodes for flat panel displays.     

Preparation of transparent conductive ZnO:Tb films and their photoluminescence properties

Tb-doped Zinc oxide (ZnO:Tb) films were prepared by RF reactive magnetron sputtering of a Zn target with some Tb-chips attached. The results show that the appropriate Tb ions incorporated into ZnO films can improve the structural and electrical properties of ZnO films. Photoluminescence (PL) measurements show that the characteristic emission lines correspond to the intra-4f^n-shell transitions in Tb^{3+} ions at room temperature. Under the optimal conditions, the ZnO:Tb films were prepared with the lowest resistivity (ρ) of 9.34×10^{ -4}Ωcm, transmittance over 80% at the visible region and the strong blue emission.     

Boron doped ZnO thin films fabricated by RF-magnetron sputtering

By using the radio frequency-magnetron sputtering (RF-MS) method, both pure ZnO and boron doped ZnO (ZnO:B) thin films were deposited on glass substrates at ambient temperature and then annealed at 450 °C for 2 h in air. It is found that both ZnO and ZnO:B thin films have wurtzite structure of ZnO with (0 0 2) preferred orientation and high average optical transmission (≥80%). Compared with the resistivity of 6.3 × 10² Ω cm for ZnO film, both as-deposited and annealed ZnO:B films exhibit much lower resistivity of 9.2 × 10⁻³ Ω cm and 7.5 × 10⁻³ Ω cm, respectively, due to increase in the carrier concentration. Furthermore, the optical band gaps of 3.38 eV and 3.42 eV for as-deposited and annealed ZnO:B films are broader than that of 3.35 eV for ZnO film. The first-principles calculations show that in ZnO:B thin films not only the band gap becomes narrower but also the Fermi level shifts up into the conduction band with respect to the pure ZnO film. These are consistent with their lower resistivities and suggest that in the process of annealing some substituted B in the lattice change into interstitial B because of its smaller ion radius and this transformation widens the optical band gap of ZnO:B thin film.     

Structure and properties of transparent conductive doped ZnO films by pulsed laser deposition

High quality transparent conductive ZnO thin films were deposited on quartz glass substrates using pulsed laser deposition (PLD). We varied the growth conditions such as the substrate temperature and oxygen pressure. X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectrometer (XPS), and atomic force microscopy (AFM) measurements were done on the samples. All films show n-type conduction, the best transparent conductive oxide (TCO) performance (Al-doped ZnO = 1.33 × 10⁻⁴ Ω cm, Ga-doped ZnO = 8.12 × 10⁻⁵ Ω cm) was obtained on the ZnO film prepared at pO₂ = 5 mTorr and T_s = 300 °C.     

氢气引入对宽光谱Mg和Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜的特性影响

为适应宽光谱高效率硅基薄膜太阳电池的应用需求,本文尝试采用直流磁控溅射技术在553 K衬底温度下生长氢化Mg和Ga共掺杂ZnO(HMGZO)透明导电氧化物(TCO)薄膜.通过对薄膜微观结构、表面形貌、电学以及光学性能的测试和分析,详细地研究了氢气(H2)流量(0—16.0 sccm)对HMGZO薄膜结晶特性及光电性能的影响.实验结果表明:生长获得的HMGZO薄膜均为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,择优取向为(002)晶面生长方向.薄膜的生长速率随着氢气流量的增加呈现逐渐减小趋势,主要归因于溅射产额的减小.适当的氢气引入会引起晶粒尺寸的增加.随着氢气流量由0增加至4.0 sccm,ZnO薄膜电阻率从177?·cm急剧减小至7.2×10-3?·cm,主要是由于H施主的引入显著地增加了载流子浓度;然而进一步增加氢气流量(4.0—16.0 sccm)造成电阻率的轻微增加,主要归因于载流子浓度的减小以及过多氢杂质引入造成杂质散射的增加.所有生长获得的HMGZO薄膜平均光学透过率在波长λ～320—1100 nm范围内可达87%以上.由于Mg的作用及Burstein-Moss效应的影响造成了带隙展宽,带隙变化范围～3.49—3.70 eV,其中最大光学带隙Eg可达～3.70 eV.