射频溅射功率和沉积时间对氧化铟锡薄膜的光学和电学性质

文摘

氧化铟锡(ITO)薄膜在太阳能电池被广泛用作透明导电电极、气体传感器、和车窗,因为他们的高电导率和良好的光学透明可见的地区。在这项工作,ITO薄膜是由阴极射频(RF)溅射用ITO目标为90%₂O₃和10%的SnO₂。结构特性研究了x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM), x射线反射计(XRR)。电气测量进行运用的四点方法和研究霍尔效应。最后,光学特性被UV-Vis-NIR分光光度法。射频功率和沉积时间的影响在光学和电学性质研究。结果表明,通过使用110 - 80 W的功率,可以准备水晶样品电阻率较低,这是一个针对财产TCO半导体。电气测量显示,电阻率降低通过增加功率和/或沉积时间。

1。介绍

Tin-doped氧化铟(ITO)薄膜,吸引了许多研究者的关注由于其良好的导电性、高的光学透过率(∼95%)在可见区域(1]。此外,伊藤是一种n类型半导体(23.5电动汽车的能量带隙。因此,它展现出自由电子的浓度高。这些属性使它有用的在几个应用程序,包括防护涂料(3),太阳能电池(4),气体传感器(5),反映出窗口(6),透明电极对平板显示器(7),有机发光二极管(8)、等离子显示面板(9),镜头(10),和车窗11]。溅射ITO属性取决于各种沉积状态参数,如初始压力、功率(12)、氩气压力(13),沉积时间14),入射角的衬底上沉积15),target-to-substrate距离,底物类型(16),膜厚度(17),衬底温度(7),和氧气流量(1]。

ITO薄膜的研究工作集中在几个方法的细化等浸渍涂层(18),热蒸发19],喷雾热解法[20.],电子束蒸发[21),电化学沉积22),化学气相沉积(CVD) (23),在反应气氛或真空蒸发24)、脉冲激光沉积(骑士)25),直流(DC)磁控溅射(26)、射频(射频)溅射18,26,27]。RF溅射是一种使用最广泛的沉积技术在许多行业准备透明导电薄膜由于其优势的漆膜附着力好,重现性,沉积速率高,均匀性好,适合大面积(28]。

在这项研究中,我们调查了射频溅射功率和沉积时间对ITO薄膜的光学和电学性质。射频溅射方法被用来确保良好的附着力。事实上,ITO薄膜之间的膨胀系数不匹配可以创建微裂隙,从而损害电影。晶体结构的变化、阻力和光学特性引起的ITO样品详细讨论。这是发现这些ITO薄膜具有良好的光学和电学性质。特别是薄层电阻低于报道在一些报告。

2。实验的细节

ITO膜沉积在室温下的射频溅射技术在451年阿尔卡特SCM。射频溅射的示意图,我们在这项研究中的应用是图所示1。最初,玻璃基板使用丙酮和蒸馏水清洗15分钟的超声波浴沉积之前,和溅射室被疏散到小于2×10⁻⁶mbar。此外,substrate-target距离固定在7厘米。目标纯度99.99%,它的直径是10厘米。此外,介绍了高纯氩气(99.999%)的压力10⁻²mbar如表所示1。每个沉积之前,目标在氩等离子体presputtering 20分钟去除污染物。在沉积没有氧气了。电影是沉积在不同射频权力(20、50、80和110 W)对不同沉积时期(20、40和60分钟),如图2。

的结构特征进行了使用SE Rigaku智能实验室x射线衍射仪2θ20 - 80°范围基于铜(Kα布拉格)辐射布配置(λ= 1.5418)。SEM形貌图像被用来观察ITO薄膜的表面在衬底上。光学透过率测量的波长范围200 - 2000 nm,使用一个UV-Vis-NIR光谱仪(日本岛津公司UV-PC分光光度计)。使用lab-manufactured电阻率测量装置,应用四点探针方法,吉时利美国泰克公司发电机/计数器(6430 Sub-Femtoamp远程数据源计)。的TESCAN VEGA3扫描电子显微镜用于分析表面形态。

3所示。结果与讨论

XRD谱的ITO薄膜准备各种射频权力和不同沉积时间图所示3。观察,择优取向并不取决于力量和时间所有水晶电影展览(222)择优取向。相对应的光谱20 W透露,电影是无定形沉积时期,或膜厚度是不够的。在一些以前的作品,(见,例如,7,9,29日]),没有观察到的特征衍射峰ITO薄膜与薄膜厚度低于80纳米。ITO膜被发现从一个非晶微晶或多晶状态增加功率如图3。高峰是首次发现紧随其后(222)取向,然后是(400),(440)和(622)取向。观察到的结果是类似报道Ghorannevis et al。30.]。

研究晶粒尺寸的影响ITO薄膜的电子和光学性质,微晶的平均大小使用谢乐公式计算如下: 在哪里是半宽度(应用不同的山峰,λ是x射线波长 , 形状因子,是峰的位置。观察到微晶的大小是5 nm和37 nm之间增加了增加沉积时间,如图4。此外,微晶尺寸的溅射功率80 W要好。此外,位错密度(δ)和微应变( )计算了薄膜的以下方程:

分析其中之一因此足够的进化。此外,淀积乘以40 - 60分钟,位错是常数通过增加力量。这表明每体积单位线的长度的水晶是恒定的。此外,结构性障碍和ITO晶格缺陷也为20分钟的沉积时间减少。

3.1。x射线反射计

XRR模式合成的ITO薄膜在不同射频权力和不同沉积时间图所示5。对所有样本,反射计下降超过临界角,将用于确定样本密度和厚度。此外,需要注意的是,一些曲线表现出强度振荡将x射线干涉的现象。薄膜厚度d可以通过方程计算(4),是关键的角,是干扰秩序,是最重要的第一边缘观察光谱反射计,然后呢λCu-K的波长α辐射(31日]:

关键角增加时,通过增加功率,在0.32和0.35之间。密度ρ相关的电子密度物质由以下方程(32]:

在方程(6),r_e是波尔半径 , 电子密度,λ是波长 XRD,原子序数,是原子的重量,是原子比例,是异常的校正系数折射率的色散。电影密度的变化,对各种射频权力和不同沉积时期,在图6。我们通常注意密度增加而增加射频权力。另一方面,ITO薄膜的最小密度为5.6 g厘米⁻³(20 W, 60分钟),最大密度达到6.7 g·厘米⁻³(110 W, 40分钟)。

图7显示了ITO薄膜的SEM照片存放在不同的权力和不同沉积时间。可以看到,图像是不同的,表明有一个薄膜厚度和功率的影响晶粒尺寸和结晶度的电影。另一方面,小圆在纳米尺度上观察。这与XRD分析结果是一致的。

能量色散谱(EDX)技术被用来确定样本的化学成分,如图所示8。这证实了的存在,Sn, O在制备ITO薄膜。Si的峰值是由于衬底的元素。此外,元素的比例(见表2)表明,该电影对应于ITO化合物。

3.2。光学性质

ITO薄膜的光学透过率光谱与各种权力和不同沉积时间存入200−2000 nm波长范围在图9。干涉条纹的透过率光谱中观察到的权力大于20 W。透过率光谱被用来确定带隙和Urbach能源(33]。此外,干涉条纹被用来计算折射率n,吸收系数k,厚度d的薄膜34,35]。很明显,ITO薄膜的透光率随沉积增加力量和时间。这是由于膜厚度的增加而增加功率和/或沉积时间,如图10 ()。此外,还应该注意,平均透过率随功率增大而减小和/或沉积时间和变化在70%和95%之间,如图10 (b)。此外,ITO薄膜有一个允许直接过渡宽的带隙。因此,ITO薄膜有良好的光学质量在可见区域(36]。‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬

光吸收系数和带隙决定使用Lambert-Beer方程和Tauc方程:

在上面的方程中,透光率,是常数,hυ光子能量,需要一个值2,2/3,1/2和1/3,为允许直接或直接,禁止直接,间接,分别和禁止间接电子转换(37]。伊藤是一种n类型与直接带隙半导体材料 。带隙可以被推断确定曲线的线性部分能量轴。

带隙的演变作为射频功率的函数不同沉积时间图所示(11日)。观察到,带隙范围3.5 - -3.6 eV,这是在良好的协议与实验值由其他研究人员(38- - - - - -40]。为了获得进一步信息结构特性、吸收系数和光子能量之间的关系被称为Urbach经验法则是由以下方程(41- - - - - -43]:

在方程(10),是光子能量,是常数,是带尾(Urbach能源)。带尾取决于温度、诱导障碍,强大的离子键,静态障碍,和平均光子能量,如图11 (b)。的从直线的斜率值计算绘图与 。应该注意的是,使用的力量50 W和20分钟导致高带尾巴。这个结果与XRD的结果是一致的。

参数最影响太阳能电池的效率,可以减少太阳能电池光学损失是折射率n。后者的表达是由以下关系44,45]:

在方程(11),是常数,T透光率,k消光系数,n(∞)的值是在红外区折射率。图12显示了折射率作为波长的函数。折射率随功率的函数。此外,折射率增加通过增加沉积时间中的可见光和红外区域的厚度和密度的影响。红外的折射率范围有一个值,它介于1.75和3。这个结果是一致的,其他研究人员报道(17,46]。

为了获得详细的光学信息,消光系数kITO薄膜可以获得以下关系: 在哪里是吸收系数,消光系数的变化kITO薄膜的沉积与各种权力和不同沉积时间报道在图13。我们不注意ITO薄膜的吸收剂在可见范围和消光系数在10的顺序⁻¹。在红外范围,消光系数增加而增加功率和/或沉积时间,因为厚度的变化。这个结果与之前的研究一致(47,48]。

3.3。电阻率

电影的电阻率与各种射频权力和不同沉积时间使用四探针测量,以及使用的表达式如下: 在哪里ρ电阻率,V由电压表测量电压,我由安培计测量到的电流强度, , ,和探针之间的距离。

薄层电阻和电阻率的演变作为权力和不同沉积时间的函数图所示14。它可以清楚地看到,薄层电阻随功率增加和/或沉积时间。最小的电阻率 ,和它对应于没有退火样品准备。此外,电阻率迅速降低价值 对应于50 W的功率;电源后略有下降。此外,电阻率的增加是由于载体浓度的增加功率的函数(49]。另一方面,电阻率的降低是由于减少的带隙(明显的红移)。此外,这一结果与光学性质的结果是一致的。事实上,大量微晶包含大量原子,与众多轨道之间的重叠,从而导致减少光学带隙,特此低电阻率。很明显,能源缺口减少当电子密度增加。

伊藤是广泛应用于太阳能电池。确定ITO的效率在使用前接触,figure_of_merit的哈克(FOM)参数是由如下(50]: 在哪里电影ITO和薄层电阻可见范围的平均透光率(取平均透光率薄膜太阳能电池的应用程序)。分布是一个重要的价值估算透明导电氧化物(TCO)薄膜的质量。表2说明了figure_of_merit ITO的各种功能射频权力和不同沉积时间(16]。在这项工作中,我们获得FOM增加作为不同的函数射频权力和不同沉积时间。FOM得到的最佳值时,功率为110 W。

表3说明了载体浓度和大厅里流动的ITO作为不同的函数射频权力和不同沉积时间。很明显,载体浓度增加而增加功率和/或沉积时间。载体浓度的增加可以解释通过增加氧空位的捐赠者和或Sn现象的减少受体(39]。另一方面,20 W电影,ITO薄膜的低结晶度也减少大厅流动的原因。这个结果与XRD的结果是一致的。此外,还有大量的缺陷在薄膜,这是约定的值。最大的大厅流动性和电荷载体浓度时获得的功率为110 W。我们认为最优参数高电气性能良好的光学和110 W和60分钟。

4所示。结论

结构、形态、光学和电学性质研究了ITO薄膜,作为射频功率和沉积时间的函数。结果表明,功率必须超过20 W与取向晶体样品(222)。微晶的大小随沉积时间增加而增大。另一方面,平均传输和薄层电阻是减少通过增加功率和/或沉积时间。获得最好的FOM ITO薄膜使用110 W的力量。ITO不是吸收剂在可见范围内,和订单的消光系数是10⁻¹。这项研究显示,ITO薄膜有良好的光学和电学性质的光伏电池和光电应用程序。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢中心分析和表征(CAC)大学的下级法官Ayyad,摩洛哥马拉喀什。

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