ZnO与Ag纳米复合薄膜的结构与光电性能的研究

本科毕业论文（设计）ZnO/Ag纳米复合薄膜的结构和光电性能研究姓名王文彬院系物理与光电工程学院专业应用物理学年级2012级学号20122313537指导教师闫金良教授2016年5月16日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文(设计)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。此声明的法律后果由本人承担。作者签名:二〇一年月日毕业论文（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）作者签名:二〇一年月日目录1引言..........................................................................................................................................22实验过程与分析方法......................................................22.1纳米复合薄膜的制备..................................................22.2纳米复合薄膜的分析方法..............................................33实验结果与分析..........................................................33.1氧化锌单层与银单层的XRR检测与分析.....................................................................33.2ZAZ多层膜系统的XRD检测与分析............................................................................43.3薄层电阻的测量...............................................................................................................63.4光学性质...........................................................................................................................74结论....................................................................9参考文献.................................................................9致谢..................................................................10鲁东大学本科毕业论文（设计）1ZnO/Ag纳米复合薄膜的结构和光电性能研究王文彬（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影响多层膜透光率。关键词：多层膜；氧化物；光学性能StudyonthestructureandphotoelectricpropertiesofZnO/AgnanocompositefilmsWangWenbin(SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,AppliedPhysics,Class1Grade2012,20122313537)Abstract:ThetwogroupsoftransparentconductiveZnO/Ag/ZnO,ZAZ,multilayercoatingsweresuccessivelydepositedbydirectcurrent(DC)magnetronsputtering.Sputteringwascarriedoutfromzinc(Zn)andsilver(Ag)metallictargets.TheeffectsofAglayerthicknessandZnOtoplayerthicknessonthepropertiesoftheZAZmultilayersystemwereexaminedusingdifferentanalyticalmethods.TheinfluencesoftheAglayerthicknessandZnOtoplayerthicknessonstructuralpropertieswerestudiedusingX-raydiffraction.ThethicknessesofZAZmultilayersystemweredeterminedusingX-rayeflectometry.AnAgfilmwithdifferentthicknesswasusedasintermediatemetalliclayers.TheoptimumthicknessofAgthinfilmswasdeterminedtobe6nmforhighopticaltransmittanceandgoodelectricalconductivity.Withabout20-25nmthickZnOfilms,themultilayershowedhighopticaltransmittanceinthevisiblerangeofthespectrumandhadcolorneutrality.TheelectricalandopticalpropertiesofthemultilayerswerechangedmainlybyAgfilmproperties.Ahighqualitytransparentelectrode,havingsheetresistanceaslowas3ohm/sqandhightransmittanceof90%at580nm,wasobtainedandcouldbereproducedbycontrollingthepreparationparameterproperly.TheopticalconstantsoftheZAZmultilayersystemwerecalculatedfromtransmittanceandreflectancemeasurements.鲁东大学本科毕业论文（设计）2KeyWords:Multilayers;Oxides;;Opticalproperties1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8.9nmAg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ZAZ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^-4pa。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。鲁东大学本科毕业论文（设计）32.1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vanderPauw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/cm^3）和单层银的密度是其本体价值的98.7%（10.49g/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。鲁东大学本科毕业论文（设计）43.1ZnO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)ZnO54.595.311.281.891Ag37.1010.352.24