ZnO与Ag纳米复合薄膜的结构与光电性能的研究Word格式.docx

1、 二一 年 月 日毕业论文（设计）使用授权声明本人完全了解鲁东大学关于收集、保存、使用毕业论文（设计）的规定。本人愿意按照学校要求提交论文（设计）的印刷本和电子版，同意学校保存论文（设计）的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存论文（设计）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布论文（设计）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定） 3.3薄层电阻的测量.6 3.4光学性质.7（物理与光电工程学院 应用物理学 2012级1班 20122313537）摘 要：两组透明导电ZnO/Ag/ZnO多层膜系统（ZAZ）依次进行直流磁控

2、溅射沉积。采用了不同的分析方法研究，分析银层厚度和氧化锌层厚度对ZAZ多层膜系统多层特性的影响。利用X射线衍射，研究了银层厚度和氧化锌层厚度对多层膜结构的影响。不同厚度的Ag膜作为中间金属层。银薄膜的最佳厚度为6nm，此时薄膜具有高光透射率和良好的导电性。用约20-25纳米厚的ZnO薄膜，在光谱的可见光范围内，多层膜显示出高的光透射率和具有颜色中性。多层膜的电学和光学特性由于Ag膜性能而发生巨大的改变。高质量的透明电极（ZnO/Ag/ZnO）膜在580nm处的透光率高达90%，面电阻为3欧姆/平方米，高质量的透明电极可以通过适当地控制制备参数被再现。薄膜的光学性质分析得到银层厚度和氧化锌层厚度

3、影响多层膜透光率。关键词：多层膜；氧化物；光学性能Study on the structure and photoelectric properties of ZnO/Ag nano composite filmsWang Wenbin（School of Physics and Optoelectronic Engineering, Applied Physics, Class1 Grade 2012, 20122313537）Abstract: The two groups of transparent conductive ZnO/Ag/ZnO, ZAZ, multilayer coat

4、ings were successively deposited by direct current （DC） magnetron sputtering. Sputtering was carried out from zinc （Zn）and silver （Ag） metallic targets. The effects of Ag layer thickness and ZnO top layer thickness on the properties of the ZAZ multilayer system were examined using different analytic

5、al methods. The influences of the Ag layer thickness and ZnO top layer thickness on structural properties were studied using X-ray diffraction. The thicknesses of ZAZ multilayer system were determined using X-ray eflectometry.An Ag film with different thickness was used as intermediate metallic laye

6、rs. The optimum thickness of Ag thin films was determined to be 6 nm for high optical transmittance and good electrical conductivity. With about 20-25 nm thick ZnO films, the multilayer showed high optical transmittance in the visible range of the spectrum and had color neutrality. The electrical an

7、d optical properties of the multilayers were changed mainly by Ag film properties. A high quality transparent electrode, having sheet resistance as low as 3 ohm/sq and high transmittance of 90% at 580 nm, was obtained and could be reproduced by controlling the preparation parameter properly.The opti

8、cal constants of the ZAZ multilayer system were calculated from transmittance and reflectance measurements.Key Words: Multilayers; Oxides; Optical properties1 引言 氧化锌（ZnO）薄膜已经被广泛的研究并作为透明电极 1 ，例如：薄膜声体波谐振器 2 ，表面声波器件 3 ，锂离子电池的阳极材料 4 和气体传感器 5 ，由于氧化锌薄膜的非毒性 6 ，低成本 7 ，物质丰度 8 ，高氢等离子体和热循环的稳定性 9 介电金属介质（D/M/D）薄

9、膜在节能窗中是常被用作光学滤波器 10 ，因为薄膜可以透过可见光，而反射红外辐射。此外，由于其低电阻率 11，它们被用作汽车玻璃的透明导电薄膜。氧化锌是具有高折射率的介电材料，银是具有高消光系数低折射率的金属，这两种材料是D/M/D涂层的很好的选择。银层的厚度会影响ZnO/Ag/ZnO（ZAZ）多层膜物理性能与特性。因此，在本文中，我们研究银层厚度对ZAZ多层系统物理性质的影响，以及当银层厚度确定时，顶层ZnO的厚度对多层膜系统的影响。其优点是，在透明电极的应用中选择最佳的ZAZ多层膜系统。2 实验过程与分析方法2.1纳米复合薄膜的制备 在一般的直流磁控溅射系统中，准备两组ZAZ多层膜放在显微

10、镜载玻片上。此外，还要准备单层的ZnO薄膜和Ag膜。溅射系统完全是计算机控制的。该室配有多达六个不同的磁控阴极和目前允许在24个不同的基板上沉积。溅射系统已在其它地方描述 12 。在非真空条件下，ZAZ多层薄膜和两个参考薄膜先后被制作，打破了使用直径为7.5cm的Zn、Ag金属靶。首先，所有的基材，除去银的参考薄膜，被涂上一层厚度为56.7nm的ZnO层。其次，第一组衬底涂银层的厚度不同，第二组衬底涂覆有厚度为8.9nm Ag层。（在沉积银层之前，银靶利用氩等离子体清洗10min去除目标污染物。）然后，第一组基板涂厚度为56.7nm的ZnO层，第二组基板涂不同厚度的氧化锌层。表1显示了这些ZA

11、Z多层膜系统的层结构。 在室温下进行溅射实验，目标靶和基板之间的距离固定在55mm。该系统要满足的压力的背景为10-4 pa。在本研究中，在0.6Pa的压力和500mA的恒定阴极电流背景下，进行锌靶的溅射。而且这个Zn靶溅射要在10sccm氧气20sccm氮气和15.5sccm氩气的混合气体中进行。氮的使用是为了增加氧化锌质量。在Ar氛气为0.8Pa压（46sccm）和在170毫安恒流背景下，进行银层溅射。2.1 不同厚度ZAZ多层膜的物理与光学特性2.2纳米复合薄膜的分析方法 采用飞利浦欧姆衍射仪，运用X射线反射（XRR）原理来检查银和氧化锌薄膜，以确定其厚度，密度及表面粗糙度。计算机模拟已

12、经完成了光谱的测量。莫的厚度测定了震荡强度的时间，膜的密度测定了总反射率边缘的位置。粗糙度从振幅和总强度的衰减中得到。 多层沉积膜的光学性质由贾斯科v-570光谱仪研究了。在波长200nm到2500nm范围内，光谱的透射率和反射率能被正常测量。ZAZ多层膜的面电阻由van der Pauw法中提出的程序中的四点探针的方法测量。3 实验结果与分析3.1 氧化锌单层与银单层XRR检测 表3.1显示了氧化锌单层和银单层密度，均方根（均方根）粗糙度以及其沉积率。通过计算机模拟计算，ZnO薄膜的密度是块状ZnO的密度的95.6%（5.61g/cm3）和单层银的密度是其本体价值的98.7%（10.49g/

13、cm3）。众所周知，直流溅射薄膜的密度取决于气体的总压力以及反应气体的分压 12。通过测定氧化锌和银层的沉积速率可以区分氧化锌和银层的厚度，并用于计算ZAZ多层膜的厚度（表3.1）。众所周知，涂层的表面粗糙度是层厚度一个函数。因此，多层薄膜系统的表面粗糙度可以稍微不同与参考样品的表面粗糙度。预测，银层的粗糙度可能会影响顶部氧化锌层的粗糙度。3.1 ZnO和Ag参考样品的性质单层厚度（nm）密度（g/3）均方根粗糙度（nm）沉积速率（nm/s）ZnO54.595.311.281.891Ag37.1010.352.241.484 图3.2 第一组XRD衍射图像 图3.3 第二组XRD衍射图像3.2

14、 ZAZ多层薄膜系统的XRD检测 图3.2a-g显示出第一组XRD图谱。周围33.670观察到的峰是属于氧化锌。周围38.230观察到的峰对应于（111）银峰。氧化锌峰是不是对称。从高峰观察,可以预测的是：氧化锌峰在对应于两个或三不同的阶段可以形成两个或三个不同的峰。氧化锌峰可以是氧化锌和六方ZnO2的混合物。另一种可能性是Zn3 N2 与氧化锌相形成的混合物。通过卢瑟福散射，ZnO样品薄膜检查显示，构图精确度确定为0.2时，化学组合物作为ZnON0.05。这表明：ZnN2重新反射的贡献很小。由于银层的厚度的增加，银峰的强度增强。 如图3.5所示，Ag峰强度随Ag厚度的增加几乎直线上升。图3.

15、3ah显示第二组的XRD图谱。从图中可以明显看出，银峰的强度几乎保持不变，而氧化锌峰的强度随氧化锌层的厚度增加而逐渐增强。在ZAZ多层膜的中，氧化锌的晶粒尺寸计算峰值接近33.670。然而，对于这些数据，没有考虑到薄膜应力对晶格和峰值宽度的仪器峰展宽的影响。利用 Gauss t计算方法，ZAZ多层膜的半峰宽和峰的中心值在表2.1中列出。图3.4 ZAZ多层膜中ZnO的晶粒尺寸大小随Ag（a）或ZnO（b）的厚度变化 图3.5 第一组中银峰的强度随银层厚度的变化 图3.4所示在ZAZ多层膜中，随着银层厚度的变化时ZnO晶粒尺寸的变化。当银层厚度小于13nm时，ZnO晶粒尺寸几乎不发生变化。当银层

16、厚度大于13nm时，可以观察到ZnO的晶粒大小有小幅度的下降。Yoshino et al.发现，膜表面的结晶度导致膜结构及其形成的性质、形态。因此，研发在晶粒尺寸减小到可以降低Ag层的表面形貌的影响。当ZnO层的厚度大于11.3nm时，ZnO晶粒尺寸的大小迅速增加，当ZnO层厚度的由11.3nm减少时，ZnO的晶粒略有增加。Yoshino et al.发现，薄膜单层表面的结晶度和表面形貌会影响ZAZ多层膜结构及其形成的性质。因此，降低氧化锌厚度可以降低晶粒尺寸以减少Ag层的表面形貌的影响。3.3薄层电阻的测量 参考氧化锌层的薄层电阻四点探针测量范围，对第一和第二组的薄层电阻的变化分别在图3.6

17、a和图3.6b显示出。如图3.6，随着银层厚度的增加，薄膜的电阻在减少。当银的厚度为4.4nm时，ZAZ多层膜的电阻为23.7/sq。当银的厚度为17.7nm时，薄膜的电阻降低到2.3/sq。Sahu and Huang报道，ZnO对整个ZAZ多层膜结构的电学特性的影响微乎其微。这里的关键是用单层氧化锌薄膜来堆栈三层薄膜。对整个ZAZ多层膜系统的电阻方面结论是：多层膜的电导率主要是由于金属银层厚度的影响。ZnO层在ZAZ多层膜的系统中的作用为：在可见光范围内，提高ZAZ多层膜的透射率，光谱的确切形状可以确定氧化锌嵌入的银层的厚度。 图3.6 ZAZ多层膜的面电阻大小随Ag（a）或ZnO（b）厚

18、度的变化3.4光学性质 图3.7是ZnO/Ag/ZnO薄膜、ZnO薄膜与Ag薄膜的光学透过率曲线。由图可以看出，当ZnO厚度为120nm时，可见光的透过率峰值高于80%。对于10nm厚度 Ag薄膜，当入射光的波长为380 nm时，波长透过率 70%，而当入射波的波长为760 nm时 ，波长的透过率为33.5%，Ag薄膜在可见光区的透过率随波长增加而减少。对于ZnO/Ag/ZnO多层薄膜，当入射光的波长增加时，薄膜的透过率在增大。并且当入射波的波长为520nm时，多层膜的透射率可高达87.5%。Ag薄膜两侧的ZnO膜显著地提高了Ag膜在可见光区的透过率。因为ZnO的折射率比空气的折射率大，当光线

19、从ZnO膜入射后再经过Ag膜时反射率减小。另外，玻璃基底上的ZnO膜改善了基底表面的粗糙度，降低了Ag膜的表面散射损耗。图3.7 ZnO/Ag/ZnO薄膜，ZnO薄膜与Ag薄膜的透过率曲线图 3.8 Ag膜厚度不同时的ZnO（60nm）/Ag/ZnO（60nm）膜的光透过率曲线 图3.8为ZnO（60nm）/Ag/ZnO（60nm）多层膜随中间Ag层厚度变化的光透过率曲线。当Ag膜的厚度达到11nm时，ZnO/Ag/ZnO多层膜在可见光区的透过率最高。当Ag膜的厚度为4nm 、11 nm和 20nm时，ZnO/Ag/ZnO多层膜膜在可见光区的最高透过率分别为36.5%、92.3%和81.5%。

20、Ag膜是以三维的V-W模式在ZnO膜上成长，Ag膜的厚度为4nm时，还未形成连续结构，仍以岛状形式存在，界面处的粗糙度较大，入射光散射的几率大。当Ag膜的厚度为11nm时，Ag刚好形成连续膜，界面处的粗糙度减小，在可见光区的透过率提高；当Ag膜的厚度进一步增大，达到20nm时，多层膜的透过率大幅度下降，因为随着Ag膜厚度的增加，反射和吸收明显增强。ZnO/Ag/ZnO多层膜的透射峰随着Ag膜厚度的增加向短波方向移动。这主要是因为光学常数n、k值随着Ag层厚度的变化而变化，我、并且随着波长的变化而变化。在近红外区，随着Ag膜厚度的增加，ZnO/Ag/ZnO膜的透过率下降。可见并不是银层越薄ZnO

21、/Ag/ZnO多层膜透过率越高，合适的银层厚度有助于提ZnO/Ag/ZnO多层膜的透过率。 图3.9是ZnO膜厚度不同时的ZnO/Ag（11nm）/ZnO膜的光透过率曲线。由图可以看出，当多层膜中ZnO层厚度的增加时，ZnO/Ag/ZnO多层膜膜的最大透过率先增加后减小，并且透射峰向长波方向移动。薄膜的光学常数n、k随着ZnO层厚度的增加而发生相应的变化。结合我们学习的光学知识，可选择合适厚度的ZnO膜可使得光线在Ag膜前后表面反射光幅度相等且反相，相互干涉而抵消，起到很好的增透效果。在近红外光区，多层膜的透射率随着ZnO厚度的增加而增加。由于ZnO层对红外光的吸收率随着厚度的增加而降低。 图

22、3.9 ZnO膜厚度不同时的ZnO/Ag（11nm）/ZnO膜的光透过率曲线4.结论 不同组的透明导电ZnO/Ag/ZnO多层膜采用反应磁控溅射法来制备涂层。银层厚度和氧化锌层厚度的变化会影响ZAZ薄膜多层系统的结构、光学和电学的性能。银层被发现会控制薄膜的透过率和薄层电阻。ZnO顶层厚度对于多层膜透光率有很大影响和对于多层膜的面电阻有直接影响。数字显示ZnO（56.7nm）/Ag（8.9nm）/ZnO（39.7nm）的多层膜是透明导电电极应用的最佳选择。银层厚度和氧化锌层厚度的变化会密切影响到ZAZ多层膜的n和Eg的数值。因此，通过控制银层的厚度和或氧化锌顶部层的厚度可以得到我们想要的ZAZ

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