InZnO薄膜透明導(dǎo)電的制備及其柔性的表征

李 娜，張 瓊，盧 婧，馬棟宇，代松霖

(東北師范大學(xué)，吉林長春 130024)

透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜兼具高導(dǎo)電性和高透明性而被廣泛地應(yīng)用到各種光電器件中，其中就包括太陽能電池［1-2］，薄膜晶體管［3］，平板顯示器［4］，和紫外發(fā)光二極管［5］。目前對TCO 薄膜的研究越來越受到人們的關(guān)注，例如，多晶的In2O3∶Sn，ZnO∶Al，ZnO∶Ga 和非晶的 InZnO(α-IZO)，InGaZnO.雖然銦-基的氧化物是一種價格相對較高的材料，但是它們非晶態(tài)的薄膜具有獨特的優(yōu)勢，如高的遷移率，好的柔性，大面積內(nèi)的高均勻性，和低的制備溫度。對于非晶IZO薄膜，這些獨特的性能源于它們非晶的結(jié)構(gòu)和獨特的電子結(jié)構(gòu)。非晶IZO薄膜的導(dǎo)帶底主要是由各向同性，空間擴展的 In 5s-和 Zn 4s-軌道組成［6］。相鄰金屬的ns-軌道直接交疊組成導(dǎo)電通路，這些通路對化學(xué)鍵的扭曲并不敏感［7］。因此，即使在非晶態(tài)，IZO薄膜仍然保持高遷移率，并適用于柔性器件。通過改變IZO薄膜在氧氣中的生長壓強來優(yōu)化電學(xué)性質(zhì)，然后通過彎折測試研究非晶IZO薄膜的柔性。

1 實 驗

采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)將IZO薄膜生長在透明的塑料襯底上。Nd∶YAG(yttrium aluminum garnet)脈沖激光(355 nm，5 ns，10 Hz)被用來燒蝕In2Zn2O5(純度99.99%)陶瓷靶。背底真空低于8×10-5Pa后，將純氧氣通入腔室。氧氣壓強在0.1 Pa-5Pa之間調(diào)節(jié)。生長溫度為室溫，生長時間為1 h，薄膜厚度在200 nm左右。

2 結(jié)果分析

為了確定薄膜的晶體特性，利用X-射線衍射(XRD)對于薄膜進行了表征。圖1給出了在不同氧氣壓強下生長的IZO薄膜和塑料襯底的XRD圖譜。在圖1譜中可以清晰的看到三個衍射峰，對比塑料襯底的XRD圖譜，發(fā)現(xiàn)這些衍射峰都是來自于襯底，而沒有觀察到明顯的IZO薄膜自身的特征峰。這說明生長的IZO薄膜是非晶結(jié)構(gòu)的。而這種非晶結(jié)構(gòu)使得IZO薄膜在電學(xué)，光學(xué)，力學(xué)(柔性)等方面都具有良好的表現(xiàn)。下面將從這幾個方面來研究IZO薄膜的性質(zhì)。

圖1 不同氧氣壓強下生長的IZO薄膜及塑料襯底的XRD圖譜

圖2給出了不同氧氣壓強下IZO薄膜的電學(xué)性質(zhì)。隨著生長壓強的降低薄膜的面電阻降低了四個數(shù)量級。這是因為氧氣壓強的降低，使薄膜中產(chǎn)生了大量的氧空位(或替位金屬)作為施主，增加了薄膜中的自由載流子(電子)濃度，從而降低了面電阻，實現(xiàn)了對電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。最低的面電阻出現(xiàn)在0.1 Pa，大小為46 Ω/sq，與商業(yè)的ITO相當(dāng)(10-100 Ω/sq)。

圖2 IZO薄膜的面電阻隨生長壓強的變化

為了研究導(dǎo)電IZO薄膜的光學(xué)性質(zhì)，如圖3對0.1 Pa的樣品進行了透過率的測試。在紫外區(qū)(～300 nm)的吸收是因為價帶的電子受到了紫外光的激發(fā)躍遷到了導(dǎo)帶而引起的透過率的截止，反映了材料寬禁帶(～3 eV)半導(dǎo)體的特性。在近紅外區(qū)(～1 000 nm)透過率的降低與導(dǎo)帶中電子的振動有關(guān)。載流子濃度越高，振動越劇烈，透過率的降低也就越明顯。

圖3 在0.1Pa氧氣強下生長的IZO薄膜的透過率圖譜

圖3中近紅外區(qū)透過率的明顯降低表明0.1 Pa的樣品具有較高的載流子濃度，這與在圖2中對電學(xué)性質(zhì)的分析一致。在可見光范圍內(nèi)(300～1000nm)透過率的波動是由入射光與樣品表面的反射光進行干涉所引起的。并且在可見光范圍內(nèi)的平均透過率大于85%，這足以滿足應(yīng)用的需求。圖3的插圖中給出了相應(yīng)實物樣品的照片。從照片中可以看出，所制備的樣品具有一定的柔性，并且可以彎折。為了研究彎折對于樣品電學(xué)性質(zhì)的影響，進行了柔性測試。

圖4 (a)是柔性測試的實物照片;(b)是相應(yīng)的內(nèi)彎折測試的示意圖;(c)和(d)分別是內(nèi)彎折和外彎折的測試結(jié)果

圖4(a)給出了柔性測試的實物照片，圖4(b)是內(nèi)彎折的示意圖。將0.1 Pa的樣品置于兩塊金屬之間，固定其中一塊金屬，移動另一塊金屬來實現(xiàn)對于樣品的彎折。通過測量樣品的原長(弧長)和彎折后兩塊金屬之間的距離(弦長)，進而計算出彎折半徑。從圖4(c)中可以看出，內(nèi)彎折測試中隨著彎折半徑的減小面電阻幾乎沒有發(fā)生變化，直到彎折半徑小于9 mm，面電阻才出現(xiàn)明顯的增加。而根據(jù)文獻報道，內(nèi)彎折半徑小于10 mm的TCO薄膜就足以滿足太陽能電池對于柔性透明電極的需求［8］。因此所制備的樣品具有廣泛的實際應(yīng)用價值。此外還對樣品進行了外彎折測試，發(fā)現(xiàn)彎折半徑小于15 mm之后，面電阻也開始顯著的增加。為了探究彎折是如何降低薄膜的電學(xué)性質(zhì)，對彎折前后的0.1 Pa樣品進行了掃描電子顯微(SEM)測試。

圖5(a)-(b)給出了彎折前不同標尺下的SEM照片?？梢钥闯鰳悠繁砻嫫秸饣?，在較大視野范圍內(nèi)均勻一致，這有利于載流子的傳輸，從而獲得良好的導(dǎo)電性能。但是彎折后的樣品表面卻出現(xiàn)了明顯的裂紋。這些裂紋阻斷了載流子的輸運，降低了樣品的電學(xué)性能。由此可以看出，過度的彎折會使樣品表面發(fā)生斷裂，增加面電阻值。并且相比于內(nèi)彎折，外彎折更易引起樣品的斷裂。

圖5 (a)和(b)是彎折前不同標尺下的SEM圖;(c)是彎折后的SEM圖

圖6 (a)以IZO薄膜為透明“導(dǎo)線”設(shè)計的電路圖的實物照片;(b)將IZO薄膜彎曲后的電路圖實物照片

為了更加直觀的了解柔性IZO薄膜的透明導(dǎo)電性能，設(shè)計了如圖6(a)所示的簡單電路。將電池，LED燈，和IZO薄膜串聯(lián)成一個閉合電路。IZO薄膜在這個電路中被用作“導(dǎo)線”。接通電路后，可以看到LED燈發(fā)出了明亮的白光，說明IZO薄膜在電路中起到了良好的導(dǎo)電作用。并且在照片中也可以看出IZO薄膜具有良好的透明性。然后將薄膜彎折一定角度，看到LED燈依然明亮。說明所制備的IZO薄膜具有良好的柔性。至此，成功地獲得了柔性透明導(dǎo)電的IZO薄膜。

3 結(jié) 論

采用激光脈沖沉積(PLD)技術(shù)在室溫條件下得到生長在塑料襯底上的IZO薄膜。通過改變生長壓強有效地控制了薄膜的電學(xué)性能。并對薄膜的透過率進行了測試及分析。同時對薄膜進行了柔性測試，發(fā)現(xiàn)過度的彎折會引起薄膜的斷裂，降低電學(xué)性能。最后設(shè)計了一個簡單地電路圖，直觀地展示了透明導(dǎo)電IZO薄膜的柔性。相信這種柔性透明IZO電極必將在日后的各種微電子器件當(dāng)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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