[发明专利]一种掺镓氧化锌透明导电膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料领域，尤其涉及一种掺镓氧化锌透明导电膜。本发明还涉及一种掺镓氧化锌透明导电膜的制备方法和应用。

背景技术

透明导电薄膜是把光学透明性能与导电性能复合在一体的光电材料，由于其具有优异的光电特性，成为近年来的研究热点和前沿课题。虽然ITO薄膜是目前综合光电性能优异、应用最为广泛的一种透明导电薄膜材料，但是铟有毒，价格昂贵，稳定性差，在氢等离子体气氛中容易被还原等问题，人们力图寻找一种价格低廉且性能优异的ITO替换材料。其中，掺镓氧化锌(Ga-doped ZnO，简称GZO薄膜)具有材料廉价，无毒，可以同ITO相比拟的电学和光学性能等特点，已成为最具竞争力的透明导电薄膜材料。

采用磁控溅射方法制备GZO薄膜，具有沉积速率高、衬底温度相对较低、薄膜附着性好、易控制并能实现大面积沉积等优点，因而成为当今工业化生产中研究最多、工艺最成熟和应用最广的一项方法。但是，如果要得到低电阻率的GZO薄膜，一定要准确控制薄膜中的Ga含量，目前众多的报道中，可以做得比较低电阻的Ga含量是2～5wt％之间，如要调整薄膜中的Ga含量，比较多是通过改变靶材的Ga成份来实现的。这种方法，往往需要制备多个靶材，这样就造成了靶材的浪费，成本的提高；而且，往往制备出来的薄膜的Ga含量是偏离靶材原有成份的，所以此方法的含量控制并不精确，薄膜制备的可重复性不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种通过改变薄膜制备工艺来实现调节薄膜中Ga含量的掺镓氧化锌透明导电膜的制备方法。

本发明利用磁控溅射设备，采用单一Ga成份的Ga:ZnO陶瓷靶材，通过改变制备过程中基底和靶材的间距(优选50～80mm)，制备得到不同Ga含量的GZO薄膜。基靶间距越大，制备得到的薄膜中Ga含量越高。通过对各样品进行电阻测试，最终确定制备GZO的最佳Ga含量。

其技术方案的制备流程如下：

(1)靶材的制备：选用Ga₂O₃∶ZnO＝1∶99～5∶95(质量比)，优选质量比1.5∶98.5，混合、研磨成粉体后经900～1300℃高温烧结处理，制得Ga₂O₃:ZnO陶瓷靶材；

(2)将步骤(1)中的制得Ga₂O₃:ZnO陶瓷靶材和衬底间隔相对地装入磁控溅射镀膜设备的真空腔体；用机械泵和分子泵把真空腔体的真空度抽至1.0×10^-3Pa～1.0×10^-5Pa，优选6.0×10^-4Pa；并温度升到450℃～750℃，优选650℃，对所述衬底进行预热处理1～4小时；

(3)调整磁控溅射镀膜工艺参数为：溅射功率60～160W，优选100W，工作压强0.2～2.0Pa，优选1.0Pa，以及氩气工作气体的流量15～35sccm，优选20sccm；然后进行镀膜处理，制得所述掺镓氧化锌透明导电膜。

本发明制得的掺镓氧化锌透明导电膜，其Ga含量为2.3wt％～5.8wt％，电阻率为6.6×10^-4Ω·cm～352·8×10^-4Ω·cm；这种掺镓氧化锌透明导电膜有望在应用于有机半导体材料中，用于制备有机太阳能电池，有机场效应晶体管，有机电致发光器件，有机光存储，有机非线性材料或有机激光器件等。

上述薄膜的制备所用的衬底是石英片衬底。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明制备掺镓氧化锌透明导电膜，所用的靶材是单一Ga成份的靶材，通过调整磁控溅射镀膜工艺参数，制备出不同Ga含量的薄膜；本发明的掺镓氧化锌透明导电膜电阻率随着Ga含量的增加，先降低后升高，在Ga含量为4.6wt％时达到最低6.6×10^-4Ω·cm，且其可见光平均透过率大于85％，可以与已经商品化的ITO薄膜的性能相媲美。

附图说明

图1为本发明的铝酸镧发光材料的制备工艺流程图；

图2是本发明的基靶间距下得到GZO薄膜的Ga含量变化曲线；

图3是本发明的不同基靶间距下得到GZO薄膜的电阻率变化曲线；

图4是本发明中实施例2的薄膜的透射光谱。

具体实施方式

本发明提供一种通过改变薄膜制备工艺来实现调节薄膜中Ga含量的掺镓氧化锌透明导电膜的制备方法。