柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，采用固相烧结法制备Zn1-xPxO(x＝0.02～0.1)靶材，利用磁控溅射沉积技术，使用Ar和O2作为溅射气体，溅射功率为50～200W，进行沉积得到厚度为200～500mm的PZO薄膜。本发明薄膜的表面平整，结晶良好，在可见光区的光学透过率高(≥85％)，制备工艺简单、电学性能优良(电阻率最低可到1.12×10-3，载流子浓度为8.1×1020，载流子迁移率为6.9cm2V-1s-1)，具有良好的应用前景，可望成为硬质衬底材料的更新换代产品。
【专利说明】柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于电子信息材料与元器件的，尤其涉及一种可以用于柔性液晶显示器、柔性太阳能电池、有机和无机半导体激光器等光电子器件的柔性P掺杂ZnO即PZO透明导电氧化物薄膜的制备方法
【背景技术】
[0002]透明导电氧化物(TCO)薄膜由于具有高的可见光透射率和低的电阻率，在抗静电涂层、触摸显示屏、太阳能电池、平板显示、发热器、防结冰装置、光学涂层以及透明光电子等方面具有广阔的发展前景，其中的代表性TCO薄膜是In2O3 = Sn(ITO)和ZnO =Al(AZO)薄膜，都具有良好的光电性能。然而目前的透明导电薄膜的载流子浓度已经接近上限，因此通过进一步提高载流子浓度来降低电阻率已经很困难，并且很高的载流子浓度会严重影响到透明导电薄膜的光学性能。高价态元素(如Mo、P等)的掺杂提供了解决这一问题的一个新的途径，即通过提高载流子迁移率而非载流子浓度来提高透明导电薄膜的电导率。由于P元素含量丰富，价格便宜，因此我们选择P作为掺杂源进行高价掺杂。
[0003]目前广泛应用的透明导电膜硬质材料衬底上制备的，这些硬质材料衬底一般是玻璃、陶瓷等。与在硬质衬底上淀积的TCO薄膜相比，在柔性基片上制备的透明导电氧化物薄膜不但保留了玻璃基片透明导电膜的光电特性，而且具有许多独特的优点.例如可挠曲、重量轻、不易破碎、易于大面积生产、便于运输等。这种薄膜可广泛应用于制造柔性发光器件、塑料液晶显示器和 柔性衬底非晶硅太阳能电池.可用作透明电碰屏蔽及触敏覆盖层等，还可作为透明隔热保温材料用于塑料大棚、汽车玻璃和民用建筑玻璃贴膜。柔性村底透明导电膜可望成为硬质衬底材料的更新换代产品，有更广泛的应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，是在现有的透明导电薄膜硬质材料衬底的基础上，提供一种可挠曲、重量轻、不易破碎、易于大面积生产、便于运输的柔性PZO透明导电氧化物薄膜。
[0005]本发明通过如下技术方案予以实现。
[0006]一种柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，具有如下步骤:
[0007](I)采用固相烧结法制备P掺杂的ZnO靶材即PZO靶材
[0008]按ZrvxPxO，其中x = 0.02~0.1对应元素的化学计量比称取ZnO和P2O5粉体，充分混合后压制成型，再放入电炉中于1150°C烧制成PZO陶瓷靶材；
[0009](2)将清洁干燥的衬底放入磁控溅射样品台上；
[0010](3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0X 10_3P以下，然后加热衬底至200°C ；
[0011](4)在步骤3系统中，使用Ar和O2作为溅射气体。溅射功率为50~200W，进行沉积得到厚度为200~500mm的PZO薄膜。
[0012]所述步骤(1)的ZnO和P2O5原料纯度均在99.5%以上。
[0013]所述步骤(1)的烧制的条件为:逐步升温至200°C保温10小时，然后逐步升温至1150°C保温I小时。
[0014]所述步骤(2)的衬底为商用普通的聚对萘二甲酸乙二醇酯即PEN衬底。
[0015]所述步骤⑷的Ar和O2的纯度均在99.99%以上，其分压比在0.02与0.1之间。
[0016]所述步骤(4)的PZO薄膜的厚度通过调节制备工艺参数或沉积时间控制。
[0017]所述步骤(4)的电阻率通过调节靶材中的P的含量以及制备过程中的氧分压来控制。
[0018]本发明的有益效果如下:
[0019](I)本发明提供的柔性PZO透明导电氧化物薄膜表面平整，结晶良好，在可见光区的光学透过率高(≥85% )，电阻率〈5.0Χ10_3Ω.cm，为柔性太阳能电池和透明显示设备的开发和应用提供了优良的基础。
[0020](2)本发明提供的柔性PZO透明导电氧化物薄膜制备工艺简单、电学性能优良，电阻率最低可到1.12 X 10_3，载流子浓度为8.1 X IO20,载流子迁移率为6.9cm2V-1s-1)，具有良好的应用前景，可望成为硬质衬底材料的更新换代产品。
【专利附图】
【附图说明】
[0021 ] 图1为实施例1制备在PEN衬底上的PZO薄膜的XRD图谱；
[0022]图2为实施例1制备在PEN衬底上的PZO薄膜的形貌扫描电镜照片，
[0023]图3为实施例1制备在PET衬底上的FTO薄膜的光学透过性能(紫外-可见光谱)图谱。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
[0025]实施例1
[0026]以3 %摩尔P掺杂ZnO薄膜。
[0027](I)采用固相烧结法制备PZO靶材
[0028]用电子天平按ZrvxPxO,其中其中χ = 0.03对应元素的化学计量比称取纯度均为99.9%的ZnO和P2O5粉体，经充分混合后，在15Mpa的压力下压制成型，放入箱式电炉中逐步升温至200°C保温10小时，然后逐步升温至1150°C保温I小时。
[0029](2)将PEN衬底清洗，以N2吹干并放入磁控溅射样品台上。
[0030](3)将磁控溅射系统的本底真空抽至0.8 X 10?,然后加热衬底至200°C。
[0031](4)以高纯(99.99% )Ar和O2作为溅射气体，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为IPa，溅射功率为70W，进行沉积得到PZO薄膜，薄膜厚度为200nm。
[0032]图1为实施例1中制备在PEN衬底上的PZO薄膜样品的XRD图谱，可见所得的P掺杂的ZnO柔性透明导电薄膜具有高度c轴择优取向，具有很好的结晶特性。
[0033]图2为实施例1中制备在PEN衬底上的PZO薄膜样品的薄膜形貌扫描电镜照片，可见所得的P掺杂ZnO柔性透明导电氧化物薄膜晶粒大小均匀；
[0034]图3制备在PET衬底上的FTO薄膜样品的光学透过性能(紫外-可见光谱)图谱，可见在可见光范围内的平均光学透过率达85%以上。[0035]经检测所得的柔性PZO透明导电薄膜的导电性能如表1所示，薄膜的电阻率低至
1.12Χ10_3Ω.Cm，载流子浓度为8.1 X 102°cnT3，载流子迁移率为6.9cmW1。
[0036]实施例2
[0037]以2%摩尔P掺杂ZnO薄膜。
[0038](I)采用固相烧结法制备PZO靶材，用电子天平按PZO对应元素的化学计量比称取ZnO和P2O5,纯度均为99.9%。经充分混合后，在15Mpa的压力下压制成型，最后至于箱式电炉中逐步升温至200°C保温10小时，然后逐步升温至1050°C保温I小时。
[0039](2)将PEN衬底清洗，以N2吹干并放入磁控溅射样品台上。
[0040](3)将磁控溅射系统的本底真空抽至0.8 X 10?,然后加热衬底至200°C。
[0041](4)以高纯(99.99% )Ar和O2作为溅射气体，氩气和氧气的流量比为30:1，溅射气压为IPa，溅射功率为70W，进行沉积得到PZO薄膜，薄膜厚度为300nm。
[0042]经检测所得的柔性PZO透明导电薄膜的导电性能如表1所示。
[0043]表1
[0044]
【权利要求】
1.一种柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，具有如下步骤: (1)采用固相烧结法制备P掺杂的ZnO靶材即PZO靶材 按ZrvxPxO，其中X = 0.02~0.1对应元素的化学计量比称取ZnO和P2O5粉体，充分混合后压制成型，再放入电炉中于1150°C烧制成PZO陶瓷靶材； (2)将清洁干燥的衬底放入磁控溅射样品台上； (3)将磁控溅射系统的本底真空度抽至1.0X10_3P以下，然后加热衬底至200°C ； (4)在步骤3系统中，使用Ar和O2作为溅射气体。溅射功率为50~200W，进行沉积得到厚度为200~500mm的PZO薄膜。
2.根据权利要求1所述的柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的ZnO和P2O5原料纯度均在99.5%以上。
3.根据权利要求1所述的柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的烧制的条件为:逐步升温至200°C保温10小时，然后逐步升温至1150°C保温I小时。
4.根据权利要求1所述的柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的衬底为商用普通的聚对萘二甲酸乙二醇酯即PEN衬底。
5.根据权利要求1所述的柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的Ar和O2的纯度均在99.99%以上，其分压比在0.02与0.1之间。
6.根据权利要求1所述的柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的PZO薄膜的厚度通过调节制备工艺参数或沉积时间控制。
7.根据权利要求1所述的柔性P掺杂ZnO透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的电阻率通过调节靶材中的P的含量以及制备过程中的氧分压来控制。
【文档编号】C23C14/35GK103993284SQ201410241886
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】李玲霞, 于仕辉, 许丹, 董和磊, 金雨馨 申请人:天津大学