室温下紫外光辅助溅射制备AZO薄膜的方法与流程

本发明涉及室温下紫外光辅助溅射制备AZO薄膜的方法，属于电子薄膜材料制备技术领域。

背景技术：

透明导电氧化物薄膜（TCO）是一种既具有导电性又具有高透明性的功能薄膜材料，它具有较大的禁带宽度，在可见光区透明，且具有较低的电阻率。TCO薄膜优良的光电特性使其在太阳能电池、平板显示器、气敏元件等领域得到了广泛的应用，是信息产业中不可或缺的材料。在TCO薄膜中，目前应用较多的是锡掺杂氧化铟(ITO)透明导电薄膜，其具有高的可见光透光率、低的电阻率和良好的机械强度。然而由于金属铟属于稀有金属，全球存量非常稀少，价格昂贵且具有一定的毒性，因此急需寻找一种价格低廉且性能优异的ITO替换材料。与ITO相比，铝掺杂氧化锌(AZO)具有原材料价格便宜、无毒、H等离子体环境中稳定性好、光学性能优异等特点，被公认为是替代ITO透明导电薄膜材料的最佳候选者。制备AZO薄膜的方法主要有溶胶-凝胶法、磁控溅射、脉冲激光沉积法等，其中磁控溅射法具有沉积速率高、制备成本低、工艺控制相对简单，适于工业化生产，是制备AZO透明导电薄膜的主要方法。从工业生产和应用来看，透明导电薄膜的制备温度不能太高，然而高性能尤其是具有低电阻率的AZO薄膜通常只能在较高的温度才能获得，因此如何采用磁控溅射技术在室温条件下制备出高性能的AZO薄膜仍没有得到解决。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种能够在室温条件下制备出光电性能优异的AZO薄膜的方法，以解决现有技术存在的问题。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：室温下紫外光辅助溅射制备AZO薄膜的方法，采用紫外光在线辐照的情况下，利用磁控溅射室温沉积AZO薄膜，其步骤为：

(1) 衬底清洗：分别采用丙酮、无水乙醇对衬底超声清洗10-30 min，再用去离子水对衬底超声清洗10-15 min，然后进行干燥；

(2) 预溅射：将干燥后的衬底装入溅射镀膜设备的真空腔体内，将活动挡板置于出衬底与靶材之间，并抽真空至5×10^-3 Pa，然后充入工作气体氩气至真空室压强为0.1-0.8 Pa，并进行预溅射5-30 min；

(3) 紫外光辐照：打开位于溅射真空腔体底部的紫外灯，紫外灯功率为15-40W，波长为254nm或365nm，紫外灯距离衬底15-30 cm；

(4) AZO薄膜制备：打开活动挡板，在紫外光辐照情况下，室温条件下进行AZO溅射镀膜，溅射真空气氛为氩气，真空室压强为0.15-0.8 Pa，溅射功率为80-200 W，溅射时间为20-60 min，进一步的，所述衬底包括硬质衬底及柔性衬底，所述的硬质衬底包括玻璃或石英，所述的柔性衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯，进一步的，所述的溅射镀膜设备为射频磁控溅射设备或直流磁控溅射设备，进一步的，溅射所用靶材为AZO陶瓷靶材，靶材中氧化铝和氧化锌的质量百分比范围在：氧化铝：2-4 wt%，氧化锌：96-98 wt%，进一步的，所述的紫外灯对着衬底正面，紫外光可以照射到整个衬底表面，进一步的，溅射靶材与衬底之间的距离为12 cm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1) 降低了溅射制备AZO薄膜的衬底温度同时保证光电性能，本发明利用紫外光在线辅助的方法，在溅射的同时紫外光线辐照到衬底表面，使得到达衬底的溅射粒子的能量增大，增强溅射粒子在薄膜中的迁移率，因此有利于AZO薄膜在低温条件下晶化，从而能在室温下制备出光电性能优异的AZO薄膜；

(2) 利用本发明制备的AZO薄膜结晶性能良好，薄膜附着力强，表面致密平整；

(3) 通过紫外光辅助室温磁控溅射方法制备的AZO薄膜无需再进行后续的处理环节，降低了生产成本，工艺操作相对简单，适于工业生产。

附图说明

图1为实施例1在玻璃衬底上紫外光辅助室温溅射AZO薄膜的XRD图谱。

图2为实施例1在玻璃衬底上紫外光辅助室温溅射AZO薄膜的透射光谱图。

图3为实施例3在PC柔性衬底上紫外光辅助室温溅射AZO薄膜的XRD图谱。

图4为实施例3在PC柔性衬底上紫外光辅助室温溅射AZO薄膜的透射光谱图。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供本发明的实施实例，这些实施实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。

实施例1

选取厚度为1 mm的超白玻璃作为衬底，分别采用丙酮、无水乙醇对衬底超声清洗15 min，再用去离子水超声清洗10 min，干燥后装入衬底架上；选用氧化铝与氧化锌的质量比为2：98的AZO陶瓷为靶材，采用直流磁控溅射沉积AZO薄膜，将活动挡板置于出衬底与靶材之间，打开机械泵和分子泵抽真空至5×10^-3 Pa，然后充入工作气体高纯氩气（99.99%）至真空室压强为0.15 Pa，开启直流电源预溅射10 min；接着打开位于溅射真空腔体底部的紫外灯，紫外灯功率为25 W，波长为254nm，紫外灯距离衬底25 cm，然后打开挡板，进行AZO薄膜沉积，溅射条件为：溅射功率为150 W，工作压力为0.15 Pa，靶基距为12 cm，衬底温度为室温，溅射时间为20 min。获得的AZO薄膜为（002）择优取向，如图1所示，且薄膜表面平整，表面粗糙度为3.686 nm，，电阻率为8.57×10^-4 Ω•cm，在可见光区（380-800 nm）的平均透过率为89.76%。作为对比，我们做了一组未施加紫外光在线辅助的实验（其他条件均相同），获得AZO薄膜的电阻率为1.33×10^-3 Ω•cm，在可见光区（380-800 nm）的平均透过率为89.21%（图2），这表明紫外光在线辐照能够保持AZO薄膜在可见光区平均透过率的情况下显著降低电阻率。

实施例2

选取厚度为1 mm的超白玻璃作为衬底，分别采用丙酮、无水乙醇对衬底超声清洗15 min，再用去离子水超声清洗10 min，干燥后装入衬底架上；选用氧化铝与氧化锌的质量比为2：98的AZO陶瓷为靶材，采用直流磁控溅射沉积AZO薄膜，将活动挡板置于出衬底与靶材之间，打开机械泵和分子泵抽真空至5×10^-3 Pa，然后充入工作气体高纯氩气（99.99%）至真空室压强为0.15 Pa，开启直流电源预溅射10 min；接着打开位于溅射真空腔体底部的紫外灯，紫外灯功率为25 W，波长为254nm，紫外灯距离衬底25 cm，然后打开挡板，进行AZO薄膜沉积，溅射条件为：溅射功率为150 W，工作压力为0.15 Pa，靶基距为12 cm，衬底温度为室温，溅射时间为30 min。获得的AZO薄膜为（002）择优取向，电阻率为6.19×10^-4 Ω•cm，在可见光区（380-800 nm）的平均透过率为88.24%。

实施例3

选取厚度为0.3 mm的聚碳酸酯（PC）膜为衬底，分别采用丙酮、无水乙醇对衬底超声清洗20 min，再用去离子水超声清洗15 min，干燥后装入衬底架上；选用氧化铝与氧化锌的质量比为2：98的AZO陶瓷为靶材，采用直流磁控溅射沉积AZO薄膜，将活动挡板置于出衬底与靶材之间，打开机械泵和分子泵抽真空至5×10^-3 Pa，然后充入工作气体高纯氩气（99.99%）至真空室压强为0.15 Pa，开启直流电源预溅射10 min；接着打开位于溅射真空腔体底部的紫外灯，紫外灯功率为25 W，波长为254nm，紫外灯距离衬底25 cm，然后打开挡板，进行AZO薄膜沉积，溅射条件为：溅射功率为100 W，工作压力为0.15 Pa，靶基距为12 cm，衬底温度为室温，溅射时间为30 min。获得的AZO薄膜为（002）择优取向，如图3所示，且薄膜表面平整，电阻率为1.10×10^-3 Ω•cm，在可见光区（380-800 nm）的平均透过率为87.63%（图4）。作为对比，我们做了一组未施加紫外光在线辅助的实验（其他条件均相同），获得AZO薄膜的电阻率为2.23×10^-3 Ω•cm，在可见光区（380-800 nm）的平均透过率为88.69%，这表明紫外光在线辐照技术能够在保持AZO薄膜在可见光透过率的情况下明显降低电阻率。

实施例4

选取厚度为0.3 mm的PC膜为衬底，分别采用丙酮、无水乙醇对衬底超声清洗20 min，再用去离子水超声清洗15 min，干燥后装入衬底架上；选用氧化铝与氧化锌的质量比为2：98的AZO陶瓷为靶材，采用直流磁控溅射沉积AZO薄膜，将活动挡板置于出衬底与靶材之间，打开机械泵和分子泵抽真空至5×10^-3 Pa，然后充入工作气体高纯氩气（99.99%）至真空室压强为0.15 Pa，开启直流电源预溅射10 min；接着打开位于溅射真空腔体底部的紫外灯，紫外灯功率为25 W，波长为254nm，紫外灯距离衬底25 cm，然后打开挡板，进行AZO薄膜沉积，溅射条件为：溅射功率为100 W，工作压力为0.15 Pa，靶基距为12 cm，衬底温度为室温，溅射时间为40 min。获得的AZO薄膜的电阻率为9.69×10^-4 Ω•cm，在可见光区（380-800 nm）的平均透过率为84.75%。

在详细说明本发明的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围，且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。