鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，特征是，包括以下工藝步驟：（1）將鉿摻雜的氧化鋅納米粉體壓制成圓形坯體；（2）將坯體在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，冷卻至室溫，再退火制成濺射靶材；（3）將靶材分別采用丙酮和去離子水清洗干凈，放入磁控濺射儀中；（4）將基底材料分別用丙酮和去離子水清洗干凈后，放入磁控濺射儀中，先抽真空，再通入氬氣和氧氣的混合氣體，然后對靶材進(jìn)行濺射，從而在基底材料表面形成薄膜；（5）將基底材料在熱處理爐中保溫，然后冷卻至室溫，即得到所述的鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。本發(fā)明得到的鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和光電性能，且平整致密、厚度均勻。
【專利說明】鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，屬于電子材料技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] ZnO作為一種典型的功能材料，具有許多優(yōu)異的特性：1)具有較大的帶隙寬(在 300K時Eg~3.4 eV)和激子束縛能Γ60 meV)，可見光的透明性很好；2)具有較強(qiáng)的壓電 效應(yīng)；3)具有很高的生物安全性和生物相容性。因此ZnO被稱為"關(guān)鍵技術(shù)材料"（"key technological material)得到了廣泛應(yīng)用。此外Zn的蘊(yùn)藏豐富，無毒，價格便宜，使得 ZnO類材料成本低廉，因此ZnO類材料的研究進(jìn)展迅速。尤其是ZnO薄膜性能已可與ΙΤ0 (納米銦錫）相比擬，其晶體結(jié)構(gòu)為六方纖鋅礦型，但比ΙΤ0更容易刻蝕，易于實(shí)現(xiàn)摻雜，且 在等離子體中穩(wěn)定性好，因而有可能成為ΙΤ0的替代產(chǎn)品，尤其是在太陽能電池透明電極 領(lǐng)域。通過加入摻雜元素可以調(diào)控、改善薄膜性能，目前摻A1的ZnO (ΑΖ0)是目前性能最 好的氧化鋅摻雜材料。
[0003] 研究發(fā)現(xiàn)，摻雜體系的性質(zhì)（導(dǎo)電率和熱穩(wěn)定性等）與摻雜元素的電子構(gòu)型和摻雜 離子的與基體離子的半徑差有關(guān)。一般而言，二者離子半徑越接近，則熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能 越好。對比來看，無論是外層電子數(shù)量還是離子半徑，Hf是一種更為理想的摻雜元素，Hf摻 雜的ZnO可望具有更加優(yōu)異的性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄 膜的制備方法，燒結(jié)溫度低，工藝簡單，成本低廉；得到的鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜具有 優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和光電性能，且平整致密、厚度均勻。
[0005] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，特征 是，包括以下工藝步驟： (1)制備鉿摻雜的氧化鋅納米粉體： a、 稱取鉿鹽和鋅鹽，保證鉿和鋅的摩爾比為0. 5:99. 5?20:80 ;將鉿鹽和鋅鹽混合均 勻； b、 向步驟a得到的鋅鹽和鉿鹽的混合物中加入去離子水，得到濃度為0. 2mol/L?5 mol/L的溶液； c、 向步驟b得到的溶液中加入濃度為0. 5 mol/L~10 mol/L的尿素水溶液，尿素水溶液 與步驟b得到的溶液的體積比為1?3:1，并混合均勻； d、 調(diào)節(jié)步驟c得到的溶液的pH值為6. 5?8. 5,控制溶液溫度為50?90°C，進(jìn)行沉淀 反應(yīng)1?10小時；離心分離得到共沉淀物，用去離子水對共沉淀物進(jìn)行洗滌3?8次，得到 白色固體； e、 將步驟d得到的白色固體在80?120°C干燥5?10小時，得到前驅(qū)體；將前驅(qū)體在 400?800°C燒結(jié)1?5小時，得到所述的鉿摻雜納米氧化鋅導(dǎo)電粉體材料； (2) 將鉿摻雜的氧化鋅納米粉體壓制成直徑為20?100mm的圓形坯體，壓強(qiáng)為50? 85MPa ； (3) 將步驟（2)得到的坯體在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400?1500°C，燒結(jié)時 間為2?4小時；以2?10°C的冷卻速度冷卻至室溫，再在700?800°C退火1?6小時， 制成濺射靶材； (4) 將步驟（3)得到的靶材分別采用丙酮和去離子水清洗干凈，放入磁控濺射儀中； (5) 將基底材料分別用丙酮和去離子水清洗干凈后，放入磁控濺射儀中，先抽真空至真 空度為0. 2ΧΚΓ4?2ΧΚΓ4 Pa，再通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣的壓力為0. 2?2Pa， 氧氣的壓力為〇. 2?4Pa，然后對靶材進(jìn)行濺射，濺射功率為50?500W，濺射時間為10? 200分鐘；從而在基底材料表面形成薄膜； (6) 將步驟（5)處理后的基底材料在熱處理爐中保溫，溫度為400?600°C，保溫時間 為1?2小時，然后冷卻至室溫，即得到所述的鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。
[0006] 進(jìn)一步的，所述基底材料為玻璃載物片、硅酸鹽玻璃或PET薄膜。
[0007] 進(jìn)一步的，所述鋅鹽為硝酸鋅，鉿鹽為氯化鉿。
[0008] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用鉿摻雜氧化鋅納米導(dǎo)電粉體為原材料制備靶材，燒結(jié) 溫度低，所獲得的靶材致密度高、均勻性好、性能穩(wěn)定，成分可控；利用所制靶材采用磁控濺 射法沉積得到透明導(dǎo)電薄膜，平整致密、厚度均勻、熱穩(wěn)定性好、光電性能優(yōu)異，且燒結(jié)溫度 低，工藝簡單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，可應(yīng)用于平板顯示器、太陽能電池等領(lǐng)域。

【具體實(shí)施方式】
[0009] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0010] 實(shí)施例一：一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，包括以下工藝步驟： (1) 制備鉿摻雜的氧化鋅納米粉體： a、 稱取114. 3g硝酸鋅和32g氯化鉿，磁力攪拌混合均勻； b、 向步驟a得到混合物中加入550mL去離子水，得到澄清溶液； c、 將62g尿素加入550mL去離子水中制成尿素水溶液，向步驟b得到的溶液中加入尿 素水溶液，并混合均勻； d、 調(diào)節(jié)步驟c得到的溶液的pH值為6. 5,控制溶液溫度為85°C，在600轉(zhuǎn)/分鐘的攪 拌條件下進(jìn)行沉淀反應(yīng)1小時；離心分離得到共沉淀物，用去離子水對共沉淀物進(jìn)行洗滌3 次，得到白色固體； e、 將步驟d得到的白色固體在80°C干燥10小時，得到前驅(qū)體；將前驅(qū)體在400°C燒結(jié) 5小時，得到所述的鉿摻雜納米氧化鋅導(dǎo)電粉體材料； (2) 將鉿摻雜的氧化鋅納米粉體壓制成直徑為30mm的圓形坯體，壓強(qiáng)為60MPa ; (3) 將步驟（2)得到的坯體在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400°C，燒結(jié)時間為4小 時；以2°C的冷卻速度冷卻至室溫，再在700°C退火6小時，制成濺射靶材； (4) 將步驟（3)得到的靶材分別采用丙酮和去離子水清洗干凈，放入磁控濺射儀中； (5) 將硅酸鹽玻璃基底材料分別用丙酮和去離子水清洗干凈后，放入磁控濺射儀中，先 抽真空至真空度為1 X ΚΓ4 Pa，再通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣的壓力為0. 6Pa，氧氣的 壓力為IPa,然后對靶材進(jìn)行濺射，濺射功率為200W，濺射時間為25分鐘；從而在硅酸鹽玻 璃基底材料表面形成薄膜； (6)將步驟（5)處理后的基底材料(所述基底材料為玻璃載物片、硅酸鹽玻璃或PET薄 膜）在熱處理爐中保溫，溫度為400°C，保溫時間為2小時，然后冷卻至室溫，即得到所述的 鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。
[0011] 采用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、四探針測量儀、紫外-可見紅外分光光度計 測量了所制得的鉿摻雜氧化鋅薄膜的厚度、表面粗糙度、電阻率和可見光透過率。結(jié)果表 明：薄膜的厚度約為100 ，表面粗糙度為50nm，薄膜的電阻率為4· 1Χ10_3Ω ·〇!!，可見光 的平均透過率超過83%。
[0012] 實(shí)施例二：一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，包括以下工藝步驟： (1) 制備鉿摻雜的氧化鋅納米粉體： a、 稱取50. 8g硝酸鋅和32g氯化鉿，混合均勻； b、 向步驟a得到混合物中加入275mL去離子水，得到澄清溶液； c、 將31g尿素加入275mL去離子水中制成尿素水溶液，向步驟b得到的溶液中加入尿 素水溶液，并混合均勻； d、 調(diào)節(jié)步驟c得到的溶液的pH值為7,控制溶液溫度為90°C，在600轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌 條件下進(jìn)行沉淀反應(yīng)10小時；離心分離得到共沉淀物，用去離子水對共沉淀物進(jìn)行洗滌8 次，得到白色固體； e、 將步驟d得到的白色固體在120°C干燥5小時，得到前驅(qū)體；將前驅(qū)體在800°C燒結(jié) 1小時，得到所述的鉿摻雜納米氧化鋅導(dǎo)電粉體材料； (2) 將鉿摻雜的氧化鋅納米粉體壓制成直徑為20mm的圓形坯體，壓強(qiáng)為70MPa ; (3) 將步驟（2)得到的坯體在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500°C，燒結(jié)時間為3小 時；以10°C的冷卻速度冷卻至室溫，再在800°C退火1小時，制成濺射靶材； (4) 將步驟（3)得到的靶材分別采用丙酮和去離子水清洗干凈，放入磁控濺射儀中； (5) 將玻璃載物片分別用丙酮和去離子水清洗干凈后，放入磁控濺射儀中，先抽真空至 真空度為〇. 2 ΧΚΓ4 Pa，再通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣的壓力為0. 2Pa，氧氣的壓力為 0. 2Pa，然后對靶材進(jìn)行濺射，濺射功率為50W，濺射時間為200分鐘；從而在玻璃載物片表 面形成薄膜； (6) 將步驟（5)處理后的基底材料(所述基底材料為玻璃載物片、硅酸鹽玻璃或PET薄 膜）在熱處理爐中保溫，溫度為600°C，保溫時間為1小時，然后冷卻至室溫，即得到所述的 鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。
[0013] 采用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、四探針測量儀、紫外-可見紅外分光光度計 測量了所制得的鉿摻雜氧化鋅薄膜的厚度、表面粗糙度、電阻率和可見光透過率。結(jié)果表 明：薄膜的厚度約為120 nm，表面粗糙度為30nm，薄膜的電阻率為2· 2Χ10_4Ω ·〇!!，可見光 的平均透過率超過89%。
[0014] 實(shí)施例三：一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，包括以下工藝步驟： (1)制備鉿摻雜的氧化鋅納米粉體： a、 稱取228g硝酸鋅和32g氯化鉿，混合均勻； b、 向步驟a得到混合物中加入900mL去離子水，得到澄清溶液；
【權(quán)利要求】
1. 一種鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征是，包括以下工藝步驟： (1) 制備鉿摻雜的氧化鋅納米粉體： a、 稱取鉿鹽和鋅鹽，保證鉿和鋅的摩爾比為0. 5:99. 5?20:80 ;將鉿鹽和鋅鹽混合均 勻； b、 向步驟a得到的鋅鹽和鉿鹽的混合物中加入去離子水，得到濃度為0. 2mol/L?5 mol/L的溶液； c、 向步驟b得到的溶液中加入濃度為0. 5 mol/L~10 mol/L的尿素水溶液，尿素水溶液 與步驟b得到的溶液的體積比為1?3:1，并混合均勻； d、 調(diào)節(jié)步驟c得到的溶液的pH值為6. 5?8. 5,控制溶液溫度為50?90°C，進(jìn)行沉淀 反應(yīng)1?10小時；離心分離得到共沉淀物，用去離子水對共沉淀物進(jìn)行洗滌3?8次，得到 白色固體； e、 將步驟d得到的白色固體在80?120°C干燥5?10小時，得到前驅(qū)體；將前驅(qū)體在 400?800°C燒結(jié)1?5小時，得到所述的鉿摻雜納米氧化鋅導(dǎo)電粉體材料； (2) 將鉿摻雜的氧化鋅納米粉體壓制成直徑為20?100mm的圓形坯體，壓強(qiáng)為50? 85MPa ； (3) 將步驟（2)得到的坯體在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400?1500°C，燒結(jié)時 間為2?4小時；以2?10°C的冷卻速度冷卻至室溫，再在700?800°C退火1?6小時， 制成濺射靶材； (4) 將步驟（3)得到的靶材分別采用丙酮和去離子水清洗干凈，放入磁控濺射儀中； (5) 將基底材料分別用丙酮和去離子水清洗干凈后，放入磁控濺射儀中，先抽真空至真 空度為0. 2ΧΚΓ4?2ΧΚΓ4 Pa，再通入氬氣和氧氣的混合氣體，氬氣的壓力為0. 2?2Pa， 氧氣的壓力為〇. 2?4Pa，然后對靶材進(jìn)行濺射，濺射功率為50?500W，濺射時間為10? 200分鐘；從而在基底材料表面形成薄膜； (6) 將步驟（5)處理后的基底材料在熱處理爐中保溫，溫度為400?600°C，保溫時間 為1?2小時，然后冷卻至室溫，即得到所述的鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。
2. 如權(quán)利要求1所述的鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征是：所述基底 材料為玻璃載物片、硅酸鹽玻璃或PET薄膜。
3. 如權(quán)利要求1所述的鉿摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征是：所述鋅鹽 為硝酸鋅，鉿鹽為氯化鉿。
【文檔編號】C23C14/08GK104060232SQ201410278502
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】胡習(xí)光, 秦國強(qiáng), 常金永, 張志祥 申請人:江陰恩特萊特鍍膜科技有限公司