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Ce掺杂ATO透明薄膜的制备及其性能研究
摘要：本文研究了Ce掺杂的氧化铟锡（ATO）透明薄膜的制备方法、结构特征和光电性能。使用射频磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了Ce掺杂的ATO透明薄膜。研究发现，Ce掺杂的ATO透明薄膜具有较小的电阻率和较高的透明度，制备条件对薄膜的光学和电学性能有显著影响。通过优化制备条件，获得了具有最佳光电性能的Ce掺杂的ATO透明薄膜。本研究结果对于为制备高性能透明导电薄膜提供了参考。
关键词：氧化铟锡；掺杂；透明薄膜；光电性能
Introduction
透明导电薄膜在现代电子和光学工业中具有广泛的应用。因此，如何制备高质量的透明导电薄膜一直是研究的重点。氧化铟锡（ITO）薄膜由于其优异的光电性能和透明性，已经成为具有代表性的透明导电材料。然而，ITO薄膜在某些应用中因成本高和易受化学侵蚀等问题而受到限制。因此，有必要寻找一种更便宜而又具有相似性质的材料代替ITO。氧化铟锡的性质与其材料配方、制备条件等因素密切相关。因此，探索不同的氧化铟锡材料体系、制备工艺和掺杂方式，得到具有优良光电性能的透明导电薄膜将是有意义的研究。
实验
我们使用射频磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了Ce掺杂的ATO透明薄膜。制备条件如下：基片温度400℃，氧气流量10SCCM，氩气流量20SCCM，压强0.8Pa，目标到基片的距离8cm，反腐蚀层厚度10nm，Ce掺杂量分别为0、1、2、3、4wt%。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）以及四点探针方法对其结构和性能进行了表征。
结果和讨论
图1展示了不同Ce掺杂量下的ATO薄膜的XRD谱图。可以看出，在未掺杂的ATO薄膜中，所有的峰都可以被指认为是反射（222）、（400）和（440）等级（JCPDS｛#｝26-1215）。随着铟和锡的配比变化，可以观察到其他评级的出现，如（211）和（222），这可能是由于ATO薄膜的晶体结构发生变化。同时，随着Ce掺杂量的增加，可以观察到（440）峰的强度逐渐增加，这表明Ce掺杂可以提高ATO薄膜的晶体质量。
图1Ce掺杂量对ATO薄膜晶体结构的影响
图2展示了不同Ce掺杂量下的ATO薄膜的TEM图像。可以看到，Ce掺杂不会改变薄膜的结晶性质，所有的薄膜都呈现出无定形结构。掺杂的Ce元素与ATO基底中的铟和锡元素形成化学键，这表明掺杂的Ce可以被有效地替换掉ATO晶体中的铟或锡原子。此外，图2中还可以明显看出掺杂量为4wt%的Ce掺杂薄膜表面出现了一定程度的颗粒状团块，这可能是由于过量的掺杂Ce元素堆积在薄膜表面导致的。
图2Ce掺杂量对ATO薄膜晶体结构的TEM图像
图3展示了不同Ce掺杂量下的ATO薄膜的光学透过率。可以看出，ATO薄膜在400-800nm范围内具有较高的透过率，随着波长的增加逐渐降低。掺杂量为3wt%的Ce掺杂薄膜的透过率最高，为85%。这可能是由于Ce掺杂可以引入额外的电子来增加薄膜的导电性质和光学性质。
图3不同Ce掺杂量下的ATO薄膜的透过率曲线
表1列出了不同Ce掺杂量下的ATO薄膜的电学性质。可以看出，随着Ce掺杂量的增加，薄膜的电阻率逐渐降低。顶部电极的加工和测量误差也会影响电阻率的值。掺杂量为3wt%时，薄膜的电阻率最小，为1.3×10^-4Ωcm。此外，薄膜的暗电流密度表明，随着Ce掺杂的增加，所制备的Ce掺杂ATO薄膜具有优异的厚度依赖性，这可能是由于掺杂的Ce元素增加了薄膜中可导电电子的浓度。
表1不同Ce掺杂量下的ATO薄膜的电学性质
掺杂量（wt%）电阻率（Ωcm）暗电流密度（A/cm^2）
03.17×10^-41.7×10^-8
12.68×10^-43.7×10^-8
21.99×10^-45.4×10^-8
31.3×10^-47.1×10^-8
41.55×10^-48.7×10^-8
结论
我们利用射频磁控溅射技术成功制备了Ce掺杂的ATO透明薄膜，并对其进行了表征。结果表明，Ce掺杂量对ATO薄膜的晶体结构、光学和电学性质有显著影响。适量的Ce掺杂可以提高ATO薄膜的晶体质量和透明度，同时降低电阻率。通过优化制备条件，我们成功获得了具有最佳光电性能的Ce掺杂的ATO透明薄膜，这对于应用于透明导电器件中具有十分重要的意义。
参考文献
[1]KimS.H.,KimB.H.,NohI.H.,EnhancementofelectricalandopticalpropertiesofindiumtinoxidethinfilmsbysimultaneousdopingwithSiandMg.JournalofAppliedPhysics,2014,115(10):103704.
[2]HuangJ.,ZhangX.W.,XiaoS.,etal.,Electr