TCO薄膜简介.doc

透明导电氧化物(transparentconductiveoxide简称TCO)薄膜主要包括In、Sb、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电特性，广泛地应用于太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。透明导电薄膜以掺锡氧化铟(tindopedindiumoxide简称ITO)为代表，研究与应用较为广泛、成熟，在美日等国已产业化生产。近年来ZnO薄膜的研究也不断深入，掺铝的ZnO薄膜(简称AZO)被认为是最有发展潜力的材料之一。同时，人们还开发了Zn2SnO4、In4Sn3O12、MgIn2O4、CdIn2O4等多元透明氧化物薄膜材料。TCO薄膜的制备工艺以磁控溅射法最为成熟，为进一步改善薄膜性质，各种高新技术不断被引入，制备工艺日趋多样化。本文综述以ITO和AZO为代表的TCO薄膜的研究进展及应用前景。一、TCO薄膜的发展TCO薄膜最早出现于20世纪初，1907年Badeker首次制成了CdO透明导电薄膜，引起了人们的较大兴趣。但是，直到第二次世界大战，由于军事上的需要，TCO薄膜才得到广泛的重视和应用。1950年前后出现了SnO2基和In2O3基薄膜。ZnO基薄膜兴起于20世纪80年代。相当长一段时间，这几种材料在TCO薄膜中占据了统治地位。直到上世纪90年代中期，才有新的TCO薄膜出现，开发出了多元TCO薄膜、聚合物基体TCO薄膜、高迁移率TCO薄膜以及P型TCO薄膜。而SnO2基和In2O3基材料也通过掺加新的元素而被制成了高质量TCO薄膜。最近，据媒体报导，美国俄勒冈大学研究人员对TCO材料的研究取得重大突破，他们研制出一种便宜、可靠且对环境无害的透明导电薄膜材料。该材料可用于制作透明晶体管，用来制造非常便宜的一次性电子产品、大型平面显示器和可折叠又方便携带的电器。科学家称，这项研究成果将引导新产业和消费领域的发展。这种薄膜材料的成分是无定型重金属阳离子氧化物，与导电物质碳相比，具有很多优点；相对于有机聚合体导电物质来说，亦具有较高的灵活性和化学稳定性；容易制造，也更加坚硬。在室温条件下，这种材料就有良好的性能，可把它当作一般的导电物质使用。该材料无定型，没有太长的晶体结构链，可使制造费用大大降低；还可拉伸、防腐蚀，化学性质稳定，表面光滑。制造和生产这些物质的原料主要有金属锌和锡，它们都对环境无害。二、TCO薄膜的特性TCO薄膜为晶粒尺寸数百纳米的多晶层，晶粒取向单一。目前研究较多的是ITO、FTO(SnO2∶F)和AZO，这些氧化物均为重掺杂、高简并半导体，半导化机理为化学计量比偏移和掺杂，其禁带宽度一般大于3eV，并随组分不同而变化。它们的光电性质依赖于金属的氧化状态以及掺杂剂的特性与数量，一般具有高载流子浓度(1018～1021cm-3)，但迁移率不高，电阻率达10-4Ω•cm量级，可见光透射率80%～90%。TCO薄膜的低电阻率特性由载流子浓度决定，但由于多晶膜的导电机理比较复杂，低电阻率成因尚待进一步研究。2-1SnO2基薄膜最早获得的具有应用价值的透明导电膜NESA（商品名），就是在玻璃上镀一层SnO2薄膜，但纯的SnO2薄膜性能不及掺杂后的SnO2基薄膜，因而现在得到广泛应用的是掺杂的SnO2薄膜，掺杂效果最好的是Sb和F（掺Sb的SnO2薄膜简称ATO，掺F的SnO2薄膜简称FTO）。P、As、Te、Cl等也可以作为SnO2薄膜的掺杂剂。Ma。Honglei等采用APCVD法制备的FTO薄膜电阻率可达5×10-4Ω•cm，在可见光区的透射率大于90%。Shanthi。S等采用喷射热分解法制得了电阻率为9×10-4Ω•cm，可见光区透射率达80%以上的ATO薄膜。2-2In2O3基薄膜掺锡的In2O3薄膜（ITO）仍然是目前研究和应用最广泛的透明导电膜，ITO薄膜有复杂的立方铁锰矿结构，电阻率一般在10-3～10-4Ω•cm之间，可见光的透射率达85%以上。例如，SutapaRoyRamanam用溶胶-凝胶法制备的ITO薄膜，电阻率可达5.4×10-4Ω•cm，可见光的透射率可达90%。众多的文献资料称，锡掺杂量为10%（原子分数）时，ITO薄膜具有最优的光电性能。为了进一步降低电阻率，AnnetteHultaker等在ITO中加入少量银，研究发现采用这种办法可以降低后续处理的温度并能得到高性能的透明导电薄膜。MinamiTadatsugu等人采用直流磁控溅射法制备了掺Zn的ITO薄膜，具有良好的刻蚀性和低的电阻率。复旦大学的孟扬等采用传统的反应蒸发法在350℃的玻璃基体上制备出了一种新的高质量的In2O3基透明导电薄膜IMO（In2O3∶Mo），它的电阻率为1。7×10-4Ω•cm，可见光的透射率大于80%。ITO薄膜的优异光