文摘

Tin-doped氧化铟(ITO)薄膜是由溶胶-凝胶浸涂技术使用低成本金属盐和有机溶剂。涂膜治疗没有退火或退火在400°C和H。600°C的3%₂/ 97% N₂混合物的气氛。微观结构、光学和电学性质的准备详细研究了ITO薄膜。最大的透光率在可见范围内(380 - 780 nm)是85.6%,最好的电阻率厘米当退火600°C的3%,H₂/ 97% N₂混合物的气氛。发现制备ITO薄膜的光学和电学性质和微观结构变化紧密相关。有机化合物不能完全消除,并且制备ITO薄膜没有密集的制备ITO薄膜退火时在3% H 600°C₂/ 97% N₂混合物的气氛,导致可怜的电导率。

1。介绍

Tin-doped氧化铟(ITO)薄膜已广泛应用于触控面板接触,LCD电极和电致变色显示器,气体传感器、热反射涂料增加灯泡效率,窗口防静电涂料、节能建筑窗户等等(1- - - - - -4]。各种制造方法已被用来制备ITO薄膜,如溅射(5),化学气相沉积(6),和溶胶-凝胶过程7]。中可用的各种各样的技术,溶胶-凝胶技术似乎吸引太多的注意等优点的简单,成本低,容易掺杂水平控制和可行的制备大面积电影和不使用昂贵和复杂的设备。此外,工艺条件影响ITO薄膜的致密化和结晶由溶胶-凝胶技术。然而,ITO薄膜由溶胶-凝胶技术表现出相对较低的电导率造成相当大的孔隙度与postannealed即使电影高温和困难获得金属醇盐为原料的可用性和高价格(8- - - - - -10]。

摘要ITO薄膜是由溶胶-凝胶浸涂技术使用低成本金属盐和有机溶剂。postannealing温度的影响在3% H₂/ 97% N₂混合物的气氛在形态、结构和电气性能的ITO薄膜研究来验证工艺条件之间的关系和准备电影的属性。发现制备ITO薄膜的光学和电学性质是微观结构变化密切相关,尤其是有机化合物的前体。

2。实验

图1显示了一个图的合成和沉积过程制备ITO薄膜涂层在玻璃衬底的细节。首先,无水氯化铟(包括₃)是在异丙醇溶解混合后加入无水锡化合物(SnCl₄),在室温下搅拌。二次,螯合剂添加到解决方案和维护在80°C回流12 h。最后,一个稳定的溶胶的摩尔比率:Sn = 6: 4。另外,清洗玻璃板块(20毫米×20毫米×3毫米)被用作涂料的基板。包含在和Sn来源的溶胶制备玻璃衬底上采用浸涂法在退4毫米/秒的速度。然后,这部电影被解雇的400°C在空气30分钟,然后冷却到室温。完全沉积涉及5个订单的浸渍和发射过程形成了好了ITO薄膜。好了ITO薄膜的总厚度控制在250到300纳米的范围。最后,好了ITO薄膜退火在3% H₂/ 97% N₂混合物的气氛在管式炉1小时的400和600°C。

Thermogravimetric-differential热分析(2000年TG-DTA MAC科学有限公司,日本)被用来获得减肥和凝胶的反应行为和大气条件下进行加热的速度5°C /分钟。x射线衍射系统(XRD,力量D8)配备CuK_α辐射的平均波长1.5406是用于指定存在的阶段和ITO薄膜的取向。x射线模式2θ20°、80°和扫描速度之间4.5°/分钟。傅里叶变换红外光谱(红外光谱,光谱100)和能量色散谱仪(EDS,地产- 6400 f。JEOL、日本)被用来检测残留有机化合物的ITO薄膜,在红外光谱被记录在4000厘米的范围⁻¹到400厘米⁻¹(11]。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM地产- 6400 f。JEOL、日本)和原子力显微镜(AFM), Veeco CP系列)被用来观察ITO薄膜的表面微观结构形态。此外,标准四探针法测量ITO薄膜的室温电导率。

3所示。结果与讨论

图2显示了TG-DTA ITO凝胶的曲线。ITO凝胶显示的重量质量持续和显著降低热处理温度的上升在361°C。有四个吸热峰在65、94、213和279°C,分别,一个明显的放热峰在361°C。烧焦的吸热峰是由于热释放和分解的有机组织和组件,以及提出了放热峰造成的变换₂O₃多晶立方方铁锰矿结构。此外,伊藤凝胶的质量不会改变在温度高于350°C。因此,温度高于400°C被选为烧成温度准备所需的ITO薄膜在这工作。

图3显示了ITO薄膜的x射线衍射模式治疗没有退火,退火在400°C和H。600°C的3%₂/ 97% N₂混合物的气氛。的主要衍射峰角₂O₃水晶位于21.493°,30.579°,35.455°,和51.013°的反射平面对应(222),(400),(440),(622),分别描述的JCPDS数据库(卡片号44 - 1087),这表明₂O₃阶段是立方晶系,空间群,Ia3和晶格参数,纳米26°C (12]。光谱表明ITO薄膜的衍射峰治疗没有退火并不明显的飞机(400),(440)和(622)₂O₃晶体。当ITO薄膜退火温度为400°C, ITO凝胶逐渐开始失去了分子间水和显示的特征衍射峰₂O₃晶体(9,10]。所有的衍射峰很弱甚至当退火温度进一步增加到600°C。此外,没有第二个阶段与其他锡化合物被发现表明Sn中溶解元素₂O₃形成一个良好的固溶体。在ITO材料体系中,锡离子是四价和三价离子,铟锡^{4 +}替换的^{3 +}置换,因此,贡献一个自由载流子电子电导率。因此,ITO薄膜保留的立方₂O₃结构的固体溶解极限的Sn₂O₃(13]。然而,并不是所有的锡原子可以代替原子站点。因此,少量的锡(IV)可能转化为Sn (II) (14]。当退火温度增加,(222)衍射峰的宽度变得更加锋利由于改善与提高postannealing结晶温度。可以提高ITO薄膜的结晶度增加postannealing温度(15]。此外,结晶度取决于使用的退火温度,而不是大气postannealing过程(5]。

晶体的平均尺寸()的ITO薄膜是由应用谢勒方程的半宽度(应用)(222)衍射峰,是由(16] 在哪里是选择的衍射线的弧度的校准的半最大值宽度,是布拉格角,是x射线波长(0.15406海里)。在表1的应用(222)衍射峰与退火温度的增加减少。因此,晶体大小从3.3提高到4.5 nm的治疗不退火,退火处理温度达到600°C,表明可以提高ITO薄膜的结晶随着退火温度(15]。

图4显示了ITO薄膜的红外光谱光谱治疗不退火,退火在400°C和H。600°C的3%₂/ 97% N₂混合物的气氛。下面的乐队出现在900厘米⁻¹是对应的拉伸振动O Sn-O,以及的贡献= O和Sn = O债券(9]。此外,有一个碳碳带的伸缩振动峰范围1652 - 1579厘米⁻¹的伸缩振动峰C = O乐队在1727 - 1720厘米⁻¹和碳氢键的伸缩振动峰带范围2800 - 2200厘米⁻¹自从ITO薄膜治疗没有退火。当ITO薄膜治疗不退火,退火温度为400°C,红外光谱特征几乎没有改变。然而,当ITO薄膜退火处理在600°C,碳碳带,C = O乐队和碳氢键乐队,成为更广泛。这个结果是由于减少有机化合物增加退火温度(10,11]。此外,在一定的温度下退火处理下,撤回和干燥后形成薄膜逐渐失去水和有机分子间组件,并翻译成晶态(11]。在表1的残留碳有机化合物检测到EDS的减少与增加退火温度。退火温度达到600°C,碳内容完全消失。从红外光谱分析比较结果,有机化合物不降低甚至完全退火温度达到600°C。这些结果可能归因于EDS分析仪的检测极限。尽管有机化合物的燃烧温度是350°C左右从DTA / TG曲线,获得有机化合物不完全分解的ITO薄膜被解雇400°C。原因可能是在烧成温度保持时间挥发有机化合物的绝对是不够的。

图5显示了ITO薄膜的SEM图像处理没有退火,退火在400°C和H。600°C的3%₂/ 97% N₂混合物的气氛。准备的ITO薄膜结构裂缝等均匀分布的完整(11]。所有的扫描电镜数据显示裂缝的存在,表明ITO薄膜并不密集。相当大的孔隙度(P~ 51%)的ITO薄膜,采用溶胶-凝胶法将不会删除甚至在高温退火后的结晶纳米颗粒悬浮液由聚集的粒子(17]。数据5(一个)和5 (b)显示表面平均粒径约30.1和32.0海里的ITO薄膜不退火,退火在3%的400°C H₂/ 97% N₂分别混合气氛。然而,几乎没有明显的形态随着退火温度的变化进一步增加到600°C,和平均表面晶粒尺寸约为32.3 nm。

图6显示了AFM表面视图(扫描范围:10×10μ米²)的ITO薄膜治疗没有退火,退火在400°C和H。600°C的3%₂/ 97% N₂混合物的气氛。平均表面晶粒尺寸和均方根(RMS)粗糙度增加退火温度高。这个结果与晶粒生长的趋势是融合相邻颗粒在表面重排由退火提供足够的能量。大颗粒与更高的均方根粗糙度(18]。在我们的工作中,均方根粗糙度和表面平均晶粒尺寸增加而增加的退火温度范围从2.0到4.8 nm,和30.1到32.3纳米ITO薄膜不退火,退火600°C的3% H₂/ 97% N₂分别混合气氛。制备ITO薄膜的形态实质上取决于退火温度(19]。

从扫描电镜数据的平均晶粒尺寸明显大于平均微晶大小的电影大部分来源于应用(222)衍射峰和AFM结果的均方根粗糙度20.]。平均微晶和粒度之间的显著差异是决定从XRD和AFM测量;原因是由于这样的事实,AFM测量更敏感的表面结构和x射线衍射测量敏感的电影大部分的结构。因此,列成长期间沉积在表面往往有更大的直径,从而导致更大的表面颗粒比平均晶粒尺寸在影片中大部分(21]。

图7显示了ITO薄膜的光学透过率光谱治疗不退火,退火在400°C和H。600°C的3%₂/ 97% N₂混合物的气氛。最大的透光率在可见范围内(380 - 780 nm)为85.6%时,ITO薄膜退火在600°C和大约74.6%和81.4%的电影没有退火,退火处理在500°C,分别。结果同意报告的阿拉姆和卡梅隆他们指出,增强了传输中的可见光波长范围增加退火温度由于结晶和有机数量(5]。

如表所示1,准备了ITO薄膜的导电率在0.3×10的范围¹2×10¹S /厘米为电影不退火,退火在400°C和H。600°C的3%₂/ 97% N₂混合物的气氛。由于电阻率电导率逆,制备ITO薄膜的电阻率范围在3×10左右⁻¹5×10⁻²Ω-cm。实际上,ITO薄膜的导电性主要来源于donor-doping效应虽然在离子替换网站生成的锡离子晶格和退火过程引起的氧空位。在₂O₃由锡掺杂离子,由于近似半径之间^{3 +}和Sn^{4 +},在^{3 +}离子的网站很容易被Sn所取代^{4 +}离子的网站。掺杂反应可以表示为(22]

ITO薄膜的导电率是受到两大因素的影响。一个是晶界散射,另一个是电离杂质散射中心(19]。晶粒尺寸逐渐增加的比例秩序井然的晶体结构。大晶粒尺寸降低了晶界散射,使电子运营商进行顺利。然而,电离杂质中心作为载体浓度的最重要的因素。氧离子掺杂引起的电离可能纳入晶格和晶界的隔离,导致晶格的畸变和生成一个中立的电子散射中心。作为讨论的人物4和6,制备ITO薄膜的低导电率可能是由于undense电影增长和剩余有机化合物,影响航空公司的运输。最好的电阻率是5×10⁻²Ω-cm获得ITO薄膜的退火温度为600°C的机制由于相当大的孔隙度(8,11,23]。

4所示。结论

摘要ITO薄膜合成到玻璃基板通过溶胶-凝胶过程使用浸涂的方法。强烈依赖微观结构、晶体质量、电气和光学性质在退火处理条件下被发现。XRD结果显示制备ITO薄膜中立方₂O₃计算结构和晶体大小约3.3到4.5 nm。红外光谱结果显示,有机化合物完全无法删除,即使postannealing温度在600°C。SEM图像显示制备ITO薄膜并不密集。AFM结果显示均方根粗糙度增加与退火温度的增加是由于晶体生长。此外,最大的透光率在可见范围内(380 - 780 nm) 85.6%,最好的电阻率是5×10⁻²Ω-cm(即,电导率是2×10¹S /厘米)获得了ITO薄膜的退火温度处理600°C。验证,制备ITO薄膜的电性质密切相关的微观结构变化,特别是导致un-dense电影增长和un-removed有机化合物的前体。

承认

作者要感谢资金支持下的台湾教育部授予98 e - 06 - 087和国家科学理事会的台湾,在格兰特NSC 98 - 2221 - e - 020 - 017,还想承认Nanmat技术支持台湾的材料。