ZnO與Ag納米復合薄膜的結構與光電性能的研究

1、 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文（設計）文（設計）ZnO/Ag 納米復合薄膜的結構和光電性能納米復合薄膜的結構和光電性能研究研究姓名王文彬王文彬院系物理與光電工程學院物理與光電工程學院專業(yè)應用物理學應用物理學年級2012 級級學號20122313537指導教師閆金良閆金良 教授教授2016 年 5 月 16 日 獨 創(chuàng) 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文(設計)，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本論文（設計）不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以

2、明確方式標明。此聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名: 二一 年 月 日畢業(yè)論文（設計）使用授權聲明本人完全了解魯東大學關于收集、保存、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定。本人愿意按照學校要求提交論文（設計）的印刷本和電子版，同意學校保存論文（設計）的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文（設計）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統(tǒng)，公布論文（設計）的部分或全部內容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名: 二一 年 月 日 目 錄1 引言.22 實驗過程與分析方法.2 2.1 納米復合薄膜的制備 .2 2.2 納米復合薄膜的分析方法 .

3、33 實驗結果與分析.3 3.1 氧化鋅單層與銀單層的 XRR 檢測與分析.3 3.2 ZAZ 多層膜系統(tǒng)的 XRD 檢測與分析.4 3.3 薄層電阻的測量.6 3.4 光學性質.74 結論.9參考文獻 .9致 謝 .10 魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 0ZnO/Ag 納米復合薄膜的結構和光電性能研究王文彬（物理與光電工程學院 應用物理學 2012 級 1 班 20122313537）摘摘 要要：兩組透明導電 ZnO/Ag/ZnO 多層膜系統(tǒng)（ZAZ）依次進行直流磁控濺射沉積。采用了不同的分析方法研究，分析銀層厚度和氧化鋅層厚度對 ZAZ 多層膜系統(tǒng)多層特性的影響。利用 X 射線衍射，研究了銀

4、層厚度和氧化鋅層厚度對多層膜結構的影響。不同厚度的 Ag 膜作為中間金屬層。銀薄膜的最佳厚度為 6nm，此時薄膜具有高光透射率和良好的導電性。用約 20-25 納米厚的 ZnO 薄膜，在光譜的可見光范圍內，多層膜顯示出高的光透射率和具有顏色中性。多層膜的電學和光學特性由于 Ag 膜性能而發(fā)生巨大的改變。高質量的透明電極（ZnO/Ag/ZnO）膜在 580nm 處的透光率高達 90%，面電阻為 3 歐姆/平方米，高質量的透明電極可以通過適當?shù)乜刂浦苽鋮?shù)被再現(xiàn)。薄膜的光學性質分析得到銀層厚度和氧化鋅層厚度影響多層膜透光率。關鍵詞關鍵詞：多層膜；氧化物；光學性能Study on the struc

5、ture 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 coatings were successively deposited by direct

6、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 analytical methods. The influences of the Ag layer

7、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 layers. The optimum thickness of Ag thin films

8、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 and optical properties of the multilayers wer

9、e 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 optical constants of the ZAZ multilayer system

10、were calculated from transmittance and reflectance measurements.魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 1Key Words: Multilayers; Oxides; Optical properties1 引言 氧化鋅（ZnO）薄膜已經被廣泛的研究并作為透明電極 1 ，例如：薄膜聲體波諧振器 2 ，表面聲波器件 3 ，鋰離子電池的陽極材料 4 和氣體傳感器 5 ，由于氧化鋅薄膜的非毒性 6 ，低成本 7 ，物質豐度 8 ，高氫等離子體和熱循環(huán)的穩(wěn)定性 9 介電金屬介質（D/M/D）薄膜在節(jié)能窗中是常被用作光學濾波器 10 ，因為薄膜可以

11、透過可見光，而反射紅外輻射。此外，由于其低電阻率 11，它們被用作汽車玻璃的透明導電薄膜。氧化鋅是具有高折射率的介電材料，銀是具有高消光系數(shù)低折射率的金屬，這兩種材料是 D/M/D 涂層的很好的選擇。銀層的厚度會影響ZnO/Ag/ZnO（ZAZ）多層膜物理性能與特性。因此，在本文中，我們研究銀層厚度對ZAZ 多層系統(tǒng)物理性質的影響，以及當銀層厚度確定時，頂層 ZnO 的厚度對多層膜系統(tǒng)的影響。其優(yōu)點是，在透明電極的應用中選擇最佳的 ZAZ 多層膜系統(tǒng)。2 實驗過程與分析方法2.1 納米復合薄膜的制備 在一般的直流磁控濺射系統(tǒng)中，準備兩組 ZAZ 多層膜放在顯微鏡載玻片上。此外，還要準備單層的

12、ZnO 薄膜和 Ag 膜。濺射系統(tǒng)完全是計算機控制的。該室配有多達六個不同的磁控陰極和目前允許在 24 個不同的基板上沉積。濺射系統(tǒng)已在其它地方描述 12 。在非真空條件下，ZAZ 多層薄膜和兩個參考薄膜先后被制作，打破了使用直徑為7.5cm 的 Zn、Ag 金屬靶。首先，所有的基材，除去銀的參考薄膜，被涂上一層厚度為56.7nm 的 ZnO 層。其次，第一組襯底涂銀層的厚度不同，第二組襯底涂覆有厚度為8.9nm Ag 層。（在沉積銀層之前，銀靶利用氬等離子體清洗 10min 去除目標污染物。）然后，第一組基板涂厚度為 56.7nm 的 ZnO 層，第二組基板涂不同厚度的氧化鋅層。表 1 顯示

13、了這些 ZAZ 多層膜系統(tǒng)的層結構。 在室溫下進行濺射實驗，目標靶和基板之間的距離固定在 55mm。該系統(tǒng)要滿足的壓力的背景為 10-4 pa。在本研究中，在 0.6Pa 的壓力和 500mA 的恒定陰極電流背景下，進行鋅靶的濺射。而且這個 Zn 靶濺射要在 10sccm 氧氣 20sccm 氮氣和 15.5sccm氬氣的混合氣體中進行。氮的使用是為了增加氧化鋅質量。在 Ar 氛氣為 0.8Pa 壓（46sccm）和在 170 毫安恒流背景下，進行銀層濺射。魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 22.1 不同厚度 ZAZ 多層膜的物理與光學特性2.2 納米復合薄膜的分析方法 采用飛利浦歐姆衍射儀，運用

14、 X 射線反射（XRR）原理來檢查銀和氧化鋅薄膜，以確定其厚度，密度及表面粗糙度。計算機模擬已經完成了光譜的測量。莫的厚度測定了震蕩強度的時間，膜的密度測定了總反射率邊緣的位置。粗糙度從振幅和總強度的衰減中得到。 多層沉積膜的光學性質由賈斯科 v-570 光譜儀研究了。在波長 200nm 到 2500nm范圍內，光譜的透射率和反射率能被正常測量。ZAZ 多層膜的面電阻由 van der Pauw法中提出的程序中的四點探針的方法測量。3 實驗結果與分析3.1 氧化鋅單層與銀單層 XRR 檢測 表 3.1 顯示了氧化鋅單層和銀單層密度，均方根（均方根）粗糙度以及其沉積率。通過計算機模擬計算，ZnO

15、 薄膜的密度是塊狀 ZnO 的密度的 95.6%（5.61g/cm3）和單層銀的密度是其本體價值的 98.7%（10.49g/cm3）。眾所周知，直流濺射薄膜的密度取決于氣體的總壓力以及反應氣體的分壓 12。通過測定氧化鋅和銀層的沉積速率可以區(qū)分氧化鋅和銀層的厚度，并用于計算 ZAZ 多層膜的厚度（表 3.1）。眾所周知，涂層的表面粗糙度是層厚度一個函數(shù)。因此，多層薄膜系統(tǒng)的表面粗糙度可以稍微不同與參考樣品的表面粗糙度。預測，銀層的粗糙度可能會影響頂部氧化鋅層的粗糙度。魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 3 3.1 ZnO 和 Ag 參考樣品的性質單層厚度(nm)密度(g/3)均方根粗糙度(nm)沉

16、積速率(nm/s)ZnO54.595.311.281.891Ag37.1010.352.241.484 圖3.2 第一組XRD衍射圖像 圖3.3 第二組XRD衍射圖像3.2 ZAZ 多層薄膜系統(tǒng)的 XRD 檢測 圖 3.2a-g 顯示出第一組 XRD 圖譜。周圍 33.670 觀察到的峰是屬于氧化鋅。周圍38.230 觀察到的峰對應于（111）銀峰。氧化鋅峰是不是對稱。從高峰觀察,可以預測的是：氧化鋅峰在對應于兩個或三不同的階段可以形成兩個或三個不同的峰。氧化鋅魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 4峰可以是氧化鋅和六方 ZnO2的混合物。另一種可能性是 Zn3 N2 與氧化鋅相形成的混合物。通過盧瑟

17、福散射，ZnO 樣品薄膜檢查顯示，構圖精確度確定為 0.2時，化學組合物作為 ZnON0.05。這表明：ZnN2重新反射的貢獻很小。由于銀層的厚度的增加，銀峰的強度增強。 如圖 3.5 所示，Ag 峰強度隨 Ag 厚度的增加幾乎直線上升。圖 3.3ah 顯示第二組的 XRD 圖譜。從圖中可以明顯看出，銀峰的強度幾乎保持不變，而氧化鋅峰的強度隨氧化鋅層的厚度增加而逐漸增強。在 ZAZ 多層膜的中，氧化鋅的晶粒尺寸計算峰值接近 33.670。然而，對于這些數(shù)據(jù)，沒有考慮到薄膜應力對晶格和峰值寬度的儀器峰展寬的影響。利用 Gauss fit 計算方法，ZAZ 多層膜的半峰寬和峰的中心值在表 2.1

18、中列出。 圖 3.4 ZAZ 多層膜中 ZnO 的晶粒尺寸大小隨 Ag（a）或 ZnO（b）的厚度變化 魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 5 圖 3.5 第一組中銀峰的強度隨銀層厚度的變化 圖 3.4 所示在 ZAZ 多層膜中，隨著銀層厚度的變化時 ZnO 晶粒尺寸的變化。當銀層厚度小于 13nm 時，ZnO 晶粒尺寸幾乎不發(fā)生變化。當銀層厚度大于 13nm 時，可以觀察到 ZnO 的晶粒大小有小幅度的下降。Yoshino et al.發(fā)現(xiàn)，膜表面的結晶度導致膜結構及其形成的性質、形態(tài)。因此，研發(fā)在晶粒尺寸減小到可以降低 Ag 層的表面形貌的影響。當 ZnO 層的厚度大于 11.3nm 時，ZnO

19、 晶粒尺寸的大小迅速增加，當 ZnO 層厚度的由 11.3nm 減少時，ZnO 的晶粒略有增加。Yoshino et al.發(fā)現(xiàn)，薄膜單層表面的結晶度和表面形貌會影響 ZAZ 多層膜結構及其形成的性質。因此，降低氧化鋅厚度可以降低晶粒尺寸以減少 Ag 層的表面形貌的影響。3.3 薄層電阻的測量 參考氧化鋅層的薄層電阻四點探針測量范圍，對第一和第二組的薄層電阻的變化分別在圖 3.6a 和圖 3.6b 顯示出。如圖 3.6，隨著銀層厚度的增加，薄膜的電阻在減少。當銀的厚度為 4.4nm 時，ZAZ 多層膜的電阻為 23.7/sq。當銀的厚度為 17.7nm 時，薄膜的電阻降低到 2.3/sq。Sa

20、hu and Huang 報道，ZnO 對整個 ZAZ 多層膜結構的電學特性的影響微乎其微。這里的關鍵是用單層氧化鋅薄膜來堆棧三層薄膜。對整個 ZAZ 多層膜系統(tǒng)的電阻方面結論是：多層膜的電導率主要是由于金屬銀層厚度的影響。ZnO層在 ZAZ 多層膜的系統(tǒng)中的作用為：在可見光范圍內，提高 ZAZ 多層膜的透射率，光譜的確切形狀可以確定氧化鋅嵌入的銀層的厚度。魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 6 圖 3.6 ZAZ 多層膜的面電阻大小隨 Ag（a）或 ZnO（b）厚度的變化3.4 光學性質 圖 3.7 是 ZnO/Ag/ZnO 薄膜、ZnO 薄膜與 Ag 薄膜的光學透過率曲線。由圖可以看出，當 Zn

21、O 厚度為 120nm 時，可見光的透過率峰值高于 80%。對于 10nm 厚度 Ag 薄膜，當入射光的波長為 380 nm 時，波長透過率 70%，而當入射波的波長為 760 nm 時 ，波長的透過率為 33.5%，Ag 薄膜在可見光區(qū)的透過率隨波長增加而減少。對于ZnO/Ag/ZnO 多層薄膜，當入射光的波長增加時，薄膜的透過率在增大。并且當入射波的波長為 520nm 時，多層膜的透射率可高達 87.5%。Ag 薄膜兩側的 ZnO 膜顯著地提高了 Ag 膜在可見光區(qū)的透過率。因為 ZnO 的折射率比空氣的折射率大，當光線從ZnO 膜入射后再經過 Ag 膜時反射率減小。另外，玻璃基底上的 Z

22、nO 膜改善了基底表面的粗糙度，降低了 Ag 膜的表面散射損耗。魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 7圖 3.7 ZnO/Ag/ZnO 薄膜，ZnO 薄膜與 Ag 薄膜的透過率曲線圖 3.8 Ag 膜厚度不同時的 ZnO(60nm)/Ag/ZnO(60nm)膜的光透過率曲線 圖 3.8 為 ZnO（60nm）/Ag/ZnO（60nm）多層膜隨中間 Ag 層厚度變化的光透過率曲線。當 Ag 膜的厚度達到 11nm 時，ZnO/Ag/ZnO 多層膜在可見光區(qū)的透過率最高。當 Ag 膜的厚度為 4nm 、11 nm 和 20nm 時，ZnO/Ag/ZnO 多層膜膜在可見光區(qū)的最高透過率分別為 36.5%、

23、92.3%和 81.5%。Ag 膜是以三維的 V-W 模式在 ZnO 膜上成長，Ag 膜的厚度為 4nm 時，還未形成連續(xù)結構，仍以島狀形式存在，界面處的粗糙度較大，入射光散射的幾率大。當 Ag 膜的厚度為 11nm 時，Ag 剛好形成連續(xù)膜，界面處的粗糙度減小，在可見光區(qū)的透過率提高；當 Ag 膜的厚度進一步增大，達到 20nm 時，多層膜的透過率大幅度下降，因為隨著 Ag 膜厚度的增加，反射和吸收明顯增強。ZnO/Ag/ZnO 多層膜的透射峰隨著 Ag 膜厚度的增加向短波方向移動。這主要是因為光學常數(shù) n、k 值隨著 Ag 層厚度的變化而變化，我、并且隨著波長的變化而變化。在近紅外區(qū)，隨著

24、 Ag 膜厚度的增加，ZnO/Ag/ZnO 膜的透過率下降?？梢姴⒉皇倾y層越薄ZnO/Ag/ZnO 多層膜透過率越高，合適的銀層厚度有助于提 ZnO/Ag/ZnO 多層膜的透過率。 圖 3.9 是 ZnO 膜厚度不同時的 ZnO/Ag(11nm)/ZnO 膜的光透過率曲線。由圖可以看出，當多層膜中 ZnO 層厚度的增加時，ZnO/Ag/ZnO 多層膜膜的最大透過率先增加后減小，并且透射峰向長波方向移動。薄膜的光學常數(shù) n、k 隨著 ZnO 層厚度的增加而發(fā)生相應的變化。結合我們學習的光學知識，可選擇合適厚度的 ZnO 膜可使得光線在 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

25、好的增透效果。在近紅外光區(qū)，多層膜的透射率隨著 ZnO 厚度的增加而增加。由于 ZnO 層對紅外光的吸收率隨著厚度的增加而降低。200300400500600700800020406080100T / % / nmZnO(60)/Ag(10)/ZnO(60)ZnO(120nm)Ag(10nm)300400500600700800900010203040506070809010060/20/6060/13.5/6060/11/6060/8.5/60 60/4/60T / % / nm魯東大學本科畢業(yè)論文（設計） 8 圖 3.9 ZnO 膜厚度不同時的 ZnO/Ag(11nm)/ZnO 膜的光透過

26、率曲線4.結論 不同組的透明導電 ZnO/Ag/ZnO 多層膜采用反應磁控濺射法來制備涂層。銀層厚度和氧化鋅層厚度的變化會影響 ZAZ 薄膜多層系統(tǒng)的結構、光學和電學的性能。銀層被發(fā)現(xiàn)會控制薄膜的透過率和薄層電阻。ZnO 頂層厚度對于多層膜透光率有很大影響和對于多層膜的面電阻有直接影響。數(shù)字顯示 ZnO（56.7nm）/Ag（8.9nm）/ZnO（39.7nm）的多層膜是透明導電電極應用的最佳選擇。銀層厚度和氧化鋅層厚度的變化會密切影響到 ZAZ 多層膜的 n 和 Eg 的數(shù)值。因此，通過控制銀層的厚度和或氧化鋅頂部層的厚度可以得到我們想要的 ZAZ 多層膜的光學性質。 參考文獻1 Y. R.

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