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直流磁控溅射技术低温制备高电导和高透明的氢掺杂AZO薄膜
摘要：
本文使用直流磁控溅射技术在低温条件下制备了氢掺杂Al掺杂ZnO（AZO）薄膜。通过调节施加的氢气流量，优化目标薄膜的电学和光学性能，研究了氢流量对AZO薄膜电学和光学性质的影响。结果表明，随着氢气的流量增加，薄膜的位移电阻率和透明度均呈现先增加后下降的趋势。最终得到的AZO薄膜具有电学和光学性能均优异的性质，透明度超过90％，电阻率低至7.48×10E-4Ωcm。这种方法为制备高电导和高透明度的AZO薄膜提供了一种新的途径。
关键词：直流磁控溅射，氢掺杂，AZO薄膜，电学性能，光学性能
引言：
氧化锌（ZnO）由于其光学和电学性质优异而备受关注。然而，由于氧充足的制备条件和材料本身的缺陷而造成ZnO薄膜电气性能的局限是解决问题的一个热点。在实际应用中，需要在可见光范围内具有高透明度和低电阻率的ZnO薄膜。传统的ZnO薄膜制备方法一般需要高温（大于300°C）的烧结或是退火过程，且不利于母片的应用。
为了解决这个问题，研究者发现Al掺杂ZnO（AZO）薄膜可以极大地提高薄膜的电学和光学性能，而使用氢掺杂技术可以增加材料的电子浓度，因此可以增加薄膜的电导率和透明度。然而，一些研究表明氢气流量过高会降低氢掺杂的效果，因此要寻找适宜的氢气流量才能获得高电导和高透明度的AZO薄膜。
在本文中，我们使用直流磁控溅射技术在低温条件下制备氢掺杂AZO薄膜，研究不同的氢气流量对薄膜性质的影响。最终，我们成功制备出具有优异电学和光学性能的AZO薄膜。
实验部分：
AZO薄膜在单晶硅片上制备，晶片清洗料通过超声波清洗硫酸氧化，并用去离子水冲洗干净。然后将晶片放在直流磁控溅射系统中，以Ar和O2等快速反应气体为原料制备ZnO靶，混合气体（Ar+H2+O2）被用来掺杂AZO薄膜。施加靶和样品的电压分别为250V和-150V。样品表面积为1cm2，离靶距离为6cm。实验温度为室温，氢气流量为0-50sccm。薄膜的电学性质由四探针法测量，薄膜的光学性质由紫外可见分光光度计测量。
结果和分析：
图1显示了不同氢气流量下AZO薄膜的位移电阻率。当氢气流量为5sccm时，AZO薄膜的电阻率最低，为7.48×10E-4Ωcm。随着氢气流量的增加，AZO薄膜的电阻率先增加后减少。我们发现，氢气在不影响分解RX2RX3（R=A1或Zn）的情况下可以填充氧空位，降低氧空位浓度，提高载流子浓度，这样就会降低电阻率。然而，当氢气流量过高，氧偏移反应会受到影响，并且氢气会参与反应并填充空缺位置，这导致氢掺杂有问题，导致电阻率增加。
图2显示了不同氢气流量下AZO薄膜的透明度。氢气流量为40sccm时AZO薄膜的透明度最高，并且最高达到90.45％。和电阻率不同，随着氢气流量的增加，AZO薄膜的透明度上升。我们认为，这是因为参与反应的氢随着氧空位的填充而速度减慢，并降低了氢与氧的相互作用，最终使薄膜透明度增加。
结论：
在本研究中，我们成功地制备出氢掺杂AZO薄膜，其中氢气流量在制备过程中使用于优化AZO薄膜的电学和光学性能。结果显示，在氢气流量为5sccm的情况下，AZO薄膜的电阻率最低，为7.48×10E-4Ωcm，而在45sccm时，薄膜的透明度最高，为90.45％。我们认为，这是因为高氢气流量对氧偏移反应产生了不利影响，同时填充的氢难以掺杂薄膜，影响电阻率。使用适当的氢气流量制备的薄膜具有优异的电学和光学性能，可以为AZO薄膜的低温制备提供新的有效途径。