ZAO薄膜的研究现状及发展趋势.pdf

2010年01月16日星期六17:33
1引言
在人类社会的科学实验活动中，功能材料总是起着重要的作用，尤其是第二次世界大战以后，材料科
学的发展达到了一个高潮，伴随着半导体、计算机、太阳能等产业的发展，相关的一种功能材料——透明
导电氧化物薄膜随之产生、发展起来。这种属于半导体光电子材料的薄膜表现出异于一般材料的特异性
能(透射、导电)，在压电换能器、光电显示器、太阳能电池、气敏传感器及光波导等方面具有广阔的应用前
景，能满足人类在信息时代特定条件下和不同目的的特殊需求。
目前市场上，使用的是透明导电氧化物薄膜In2：sn(f1D)，其技术是成熟的，但由于In、sn等材料
有自然储量少、制备工艺复杂、成本高、有毒、稳定性差等缺点，从而限制了在实践中的广泛使用，因此，急
需一种替代产品问世，以满足人们的需要。ZnO：A1(ZAO)薄膜是迄今为止最佳的ITO膜替代品。二者
相比而言，zAO薄膜不仅具有与ITO可比拟的电学和光学特性，而且有储量丰富、易于制造、成本较低、
无毒、热稳定性好等优点，因而，从2O世纪7O年代末开始，人们对ZnO薄膜及掺杂体系的研究趣日益
浓厚，近年来更成为研究透明导电氧化物薄膜的热点，而ZAO薄膜是ZnO掺杂体系中最具代表性的。
2ZAO薄膜的性质
透明导电氧化物薄膜有Io3、SnO2、和ZnO三大体系，其性能对比见表1。ZAO薄膜是ZnO体系
中掺杂元素A1而得来的。ZnO薄膜具有C轴择优生长的众多晶粒，每个晶粒都是呈生长良好的六角形
铅锌矿结构。ZnO晶体是氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向嵌套而成的。这种结构的薄膜具有透明导电性，
值高于l0n·QTI。ZnO晶体中每一个锌原子都位于四个相邻的氧原子所形成的四面
体间隙中，但只占据其中半数的氧四面体间隙，氧原子的排列情况与锌原子相同。单位晶格中含有2个
分子．体积为0．047651tun3。因而这种结构比较开放，半径较小的组成原子容易变成间隙原子，Al的离
子半径为0．039m，比锌的离子半径(0．060nm)4~，A1原子容易成为替位原子而占据zn原子的位置，
也容易成为间隙原子而存在。在ZnO中掺杂之后，可以形成ZAO薄膜，导电性能大幅度提高，电阻率
可降低到10n·crn。掺杂后，不仅可以降低电阻率，而且能提高薄膜的稳定性。Minarni等_1J制备的
ZAO薄膜，可见光透射率达90％，电阻率已降至l0I4n·ClTI。这种性能完全可以与ITO薄膜相媲美。

3ZAO薄膜的应用前景
看一种产品的应用前景如何，主要从三个方面分析：一是原材料是否丰富，价格是否低廉；二是生产
制造是否容易，在生产过程中有无环境污染；三是产品性能是否合乎要求，特别是稳定性要好。根据这三
方面的要求，可将目前广泛应用的透明导电膜ITO膜，与ZAO薄膜作以对比分析，从中展现出的ZAO薄
(1)ITO薄膜的主要成分In、Sn自然资源少，特别是In在地层中的储量更少，使得ITO薄膜的生产
成本很高；相比而言．组成ZAO薄膜的主体zn、A1在自然界中的储量丰富，生产成本低，具有价格优势。
(2)In、sn材料的化学性质比较活泼．制造过程中工艺条件不易控制．技术难度大，另外In、sn的原
子量较大，成膜过程中容易渗^衬底材料内部，毒化衬底材料，尤其在液晶显示器中污染现象严重；在这
方面，ZAO薄膜具有ITO薄膜无法相比的优越性，无毒、稳定性高、制备技术简单、易于实现掺杂等是
ZAO薄膜能够被广泛应用的主要原因。
(3)在光、电特性方面，ZAO薄膜的性能可满足当今商用ITO薄膜的一切指标。
从分析对比可见，ZAO薄膜应该能取代ITO薄膜，何况目前ZAO已经在某些领域获得应用。
(1)液晶显示器。透明导电薄膜是平板显示的基础材料，主要用于液晶显示器。通常对液晶显示器
的要求为100～500n／口，电阻率应低于20×10I4n·CITI，目前ZAO薄膜的电学性能完全能达到这个要
求．并且不污染液晶显示器。此外，在场致发光显示器(EL)、等离子显示(PD)、有机薄膜显示(OLD)、电
致荧光显示(E(D)等平板显示领域里．低电阻率和高透射率的ZAO薄膜将会在底电极部件的制备中被
大量采用。
(2)热镜。用于热镜的透明导电膜，主要是利用其在可见光区的高透射性和对红外光的高反射性，制
成寒冷环境下的视窗或太阳能收集器的观测窗，使能量保持在一封闭的空间里以起到热屏蔽的作用。还
可以大量节约能源，可以说ZAO薄膜是制造热镜的最佳材料。另外，还能用作汽车、火车、航天器等的视
窗玻璃以及陈列窗的制造，其作用不仅可以隔热节能，而且薄膜通电后，还可以收到防雾除霜的效果。
(3)太阳能电池。在太阳能电池上．透明导电膜作为减反射层和透明电极使用，可以提高太阳能的转
换效率，如ITO／SiOz／口一S