旋涂次數(shù)對(duì)NiO薄膜結(jié)構(gòu)和光透過(guò)性能的影響

王玉新， 劉 奇， 臧谷丹， 崔瀟文

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院， 遼寧 大連 116029)

旋涂次數(shù)對(duì)NiO薄膜結(jié)構(gòu)和光透過(guò)性能的影響

王玉新， 劉 奇， 臧谷丹， 崔瀟文

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院， 遼寧 大連 116029)

以乙酸鎳為前驅(qū)體溶液采用溶膠-凝膠旋涂法按不同旋涂次數(shù)(1～5次)在玻璃襯底上制備NiO薄膜.通過(guò)X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-VIS)等表征手段對(duì)樣品的晶格結(jié)構(gòu)、表面形貌、透射光譜進(jìn)行測(cè)試.結(jié)果表明旋涂次數(shù)的適當(dāng)增加并不能使薄膜厚度明顯增加而是有助于修復(fù)所制備薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；并且隨著旋涂次數(shù)的增加晶粒尺寸變大使薄膜的晶界和缺陷增多，增強(qiáng)了薄膜的光散射性能降低了光透過(guò)性能.當(dāng)旋涂次數(shù)為3次時(shí)，所制備的NiO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較高、表面光滑致密并具有較好的光透過(guò)性能，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)平均透過(guò)率達(dá)到80%以上.

溶膠-凝膠法；NiO薄膜；薄膜結(jié)構(gòu)；表面形貌；光透過(guò)性能

NiO作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度在3.0～4.0 eV之間，除了具有穩(wěn)定的化學(xué)性能，還具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能，而且原料豐富、成本低廉、對(duì)環(huán)境無(wú)污染[1-10].其制備方法有多種且較為成熟，其中包括磁控濺射法[11]、原子層沉積法[12]、噴霧熱解法[13]、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法[14]和溶膠-凝膠法[15]等，其中，溶膠-凝膠法具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn).近年來(lái)，由于NiO具有較低的電阻率及高空穴載流子濃度等顯著特點(diǎn)，使其與n型ZnO相結(jié)合制備成異質(zhì)結(jié)、太陽(yáng)能電池、光電二極管、光電探測(cè)器等光電領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力[16].單福凱等人采用磁控濺射法在玻璃襯底上制備了NiO薄膜，并研究了不同襯底溫度對(duì)其性能的影響，實(shí)驗(yàn)中薄膜沿著NiO(111)擇優(yōu)生長(zhǎng)且晶格常數(shù)隨著溫度的升高而減小，薄膜透過(guò)率隨著溫度的升高而增大且在600 ℃時(shí),在波長(zhǎng)為630 nm處透過(guò)率為83%左右[17].關(guān)于詳細(xì)研究工藝參數(shù)對(duì)制備NiO薄膜的光透過(guò)性能影響的相關(guān)文獻(xiàn)較少[18].因此研究工藝參數(shù)對(duì)NiO薄膜光透過(guò)性能的影響具有重要意義.

筆者采用溶膠-凝膠旋涂法制備NiO薄膜，并用XRD、SEM、UV-VIS對(duì)其進(jìn)行表征，進(jìn)而探究其晶格結(jié)構(gòu)、形貌特征及光透過(guò)特性隨旋涂次數(shù)的變化情況，從而為以后提高p型NiO薄膜的光透過(guò)性能奠定基礎(chǔ).

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中選用乙酸鎳(Ni(CH3COO)2·4H2O)作為溶質(zhì)，乙二醇甲醚(CH3OCH3CH2OH)作為溶劑，并添加乙醇胺(C2H7NO)作為穩(wěn)定劑，配置成0.3 mol/L的乙酸鎳溶膠用于制備NiO薄膜.

采用溶膠-凝膠旋涂法以不同旋涂次數(shù)(1～5次)在玻璃襯底上制備了NiO薄膜,分別標(biāo)為樣品a～e.先在100 ℃下低溫預(yù)處理10 min,然后在500 ℃下高溫?zé)崽幚?0 min，取下樣品等待測(cè)試.

采用Rigaku D/max-rB Cu Kα型X射線衍射儀、SU8000掃描電子顯微鏡、UV3600紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)和SGC-10薄膜厚度測(cè)試儀對(duì)所制備的樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形貌、光透過(guò)性能、厚度測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 晶格結(jié)構(gòu)分析

圖1為不同旋涂次數(shù)下制備的NiO薄膜的XRD圖.從圖中可以看到5個(gè)樣品都在43.811°左右出現(xiàn)NiO(200)衍射峰，隨著旋涂次數(shù)的增加衍射峰的強(qiáng)度并沒(méi)有明顯的變化.5個(gè)樣品的NiO(200)衍射峰半高寬分別為0.301°、0.268°、0.259°、0.320°、0.325°.隨著旋涂次數(shù)的增加，NiO薄膜的(200)衍射峰的半高寬先減小后增大.樣品c的半高寬最小其衍射峰較為尖銳，說(shuō)明當(dāng)旋涂次數(shù)為3次時(shí)所制備樣品的結(jié)構(gòu)性能較好.

圖1 不同旋涂次數(shù)下樣品的XRD圖譜Fig.1 The XRD patterns of the NiO thin films with different number of layers

2.2 表面形貌分析

測(cè)試NiO薄膜表面形貌之前，先對(duì)薄膜厚度進(jìn)行測(cè)試和分析.在5個(gè)樣品表面選取相同位置的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試如表1所示：

表1 不同樣品的膜厚

從表1中可以看出，5個(gè)樣品的平均薄膜厚度相差僅僅在3.0 nm左右.但是樣品a、b、d和e在不同測(cè)試點(diǎn)的薄膜厚度相差的較大，說(shuō)明不同的旋涂次數(shù)將會(huì)影響薄膜的均勻性，使薄膜厚度變得薄厚不均勻從而影響其光透過(guò)性能.因此，有必要進(jìn)行更深入的討論和分析，以表1的數(shù)據(jù)做出樣品的不同選取點(diǎn)與薄膜厚度的關(guān)系圖，如圖2所示.

圖2 樣品的不同選取點(diǎn)與薄膜厚度的關(guān)系圖Fig.2 The film thickness of the different select points of samples

從圖2中可以看到5個(gè)樣品在不同選取點(diǎn)處薄膜厚度的一個(gè)走向趨勢(shì)：樣品a的曲線變化最為明顯，尤其在第2個(gè)選取點(diǎn)時(shí)薄膜厚度為151.8 nm，而第3個(gè)選取點(diǎn)處的薄膜厚度直接為145.8 nm，下降了6 nm，說(shuō)明在所選取范圍內(nèi)薄膜的均勻性較差；樣品b的曲線變化稍微有些緩和，但是第4個(gè)選取點(diǎn)處的薄膜厚度與第3個(gè)選取點(diǎn)和第5個(gè)選取點(diǎn)處的薄膜厚度變化也有些出入；樣品c的曲線近似趨近于一條平行于橫坐標(biāo)的直線，表明每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的薄膜厚度幾乎相同，薄膜厚度變化不大，所以薄膜表面應(yīng)較為光滑；樣品d和樣品e的曲線走勢(shì)幾乎相同，上下浮動(dòng)不是特別大，薄膜厚度均勻程度均不如樣品c.5個(gè)樣品的厚度并沒(méi)有隨著旋涂次數(shù)的增加而增加，只是有微小改變.這是因?yàn)楫?dāng)?shù)?次旋涂后進(jìn)行低溫預(yù)處理后，在進(jìn)行下一次旋涂時(shí)，滴加在樣品上的溶膠又將原本初步形成的薄膜進(jìn)行溶解，在向心力的作用下將其多余的溶膠液滴再次脫離襯底表面，因此不同旋涂次數(shù)制備的薄膜厚度變化并不是很大.通過(guò)以上的分析討論，選取樣品a、b、c、d進(jìn)行了SEM測(cè)試，結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同旋涂次數(shù)下的NiO薄膜的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of the NiO thin films with different number of layers

圖3中a～d為上述4個(gè)樣品的SEM照片.在相同的放大倍數(shù)下，觀察圖a,雖然通過(guò)照片看到晶粒平鋪在襯底表面，但是仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)其大小不同，從SEM照片的左上方沿著對(duì)角線向右下方的角度觀察，晶粒尺寸變得越來(lái)越大，顆粒小的位置較薄而隨之變大后薄膜變厚，所以與其薄膜厚度的走勢(shì)相吻合；圖b中可以看出顆粒大小的均勻程度有所改善，但是透過(guò)縫隙可以清楚看到較大顆粒是由小顆粒疊加而成；圖c中晶粒大小較為均勻且致密，說(shuō)明其表面較為平滑、膜厚均勻性好；圖d中顆粒間縫隙較多且出現(xiàn)團(tuán)簇的現(xiàn)象，說(shuō)明其表面光滑度較差，膜厚均勻性較差.由此可知，旋涂次數(shù)的適當(dāng)增加有助于改善表面形貌，并不會(huì)使薄膜厚度大幅度增厚而是起到降低薄膜內(nèi)部缺陷的作用.

2.3 透過(guò)率分析

圖4是5個(gè)樣品的透過(guò)圖譜，由圖可見(jiàn)樣品a、b、c在可見(jiàn)光區(qū)的平均透過(guò)率都超過(guò)80%，而樣品d和e 在可見(jiàn)光區(qū)的平均透過(guò)率只在70%以上，且旋涂次數(shù)越多， NiO薄膜的光透過(guò)性能越差.這是因?yàn)殡S著旋涂次數(shù)的增加，薄膜的晶粒尺寸也隨之增大，因此薄膜中的晶界及缺陷不均勻處也隨著增多從而增強(qiáng)了光的散射，降低了薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光透過(guò)率[19].

圖4 不同旋涂次數(shù)下的NiO薄膜的紫外-可見(jiàn)透射光譜圖Fig.4 The transmission spectra of the NiO thin films with different number of layers

3 結(jié) 論

采用溶膠-凝膠旋涂法在玻璃襯底上，制備出了具有較好光透過(guò)性能的NiO薄膜.研究了不同旋涂次數(shù)對(duì)NiO薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌及光透過(guò)性能的影響.結(jié)果表明，旋涂次數(shù)對(duì)NiO薄膜有重要影響.當(dāng)旋涂次數(shù)為3次時(shí)制備的NiO薄膜沿NiO(200)擇優(yōu)生長(zhǎng)，表面形貌更加光滑致密，結(jié)晶質(zhì)量最好，光透過(guò)性能較佳.

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Effectofspin-coatingtimesonstructureandUV-VIStransmissionpropertiesofNiOthinfilms

WANGYuxin,LIUQi,ZANGGudan,CUIXiaowen

(School of Physics and Electronic Technology, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

NiO thin films using nickel acetate as a precursor solution were successfully prepared on glass substrate by sol-gel spin-coating method with different spin-coating times (1～5 times).The lattice structure, surface appearance and transmission spectra of the samples were investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and ultraviolet visible spectrophotometer (UV-VIS).The results show that the more spin-coating times cannot make the film thickness increase obviously, but it may be helpful to repair the crystalline quality of the prepared films.At the same time, the bigger grain size may result in the increase of grain boundary and defect, which enhance the performance of light scattering and reduce the optical transmission.The sample prepared after three times spin-coating owns the optimum crystalline quality, the more dense surface morphology and the higher transmittance.The average transmittance in the visible light range is about 80%.

sol-gel method;NiO thin films;surface morphology;optical transmission

O484.4

:A

2017-03-21

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2015292)

王玉新(1974- )，女，遼寧遼陽(yáng)人，遼寧師范大學(xué)副教授，博士.E-mail:yuxinwang178@sina.com

1000-1735(2017)03-0313-05

10.11679/lsxblk2017030313