CN102332325B - In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜及其制备方法，将In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3粉末均匀混合后压制成型，所述In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3粉末的质量比为91:5:1:3，然后在1250℃下烧结，制得Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材，将Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶置于脉冲激光沉积装置中沉积，制得In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜，该透明导电薄膜最低电阻率可达2.23×10-4Ω·cm，平均透光率在90%以上。本发明工艺简单，采用多元掺杂进一步改善氧化铟基透明导电薄膜导电性能，通过新的高价态元素的掺入提高了材料的导电性，在相同条件下In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜比成熟的ITO有着更低的电阻率。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，涉及一种In、Sn、Mo、Nb共掺杂的透明导电薄膜及其制备方法，特别是涉及了利用脉冲激光沉积法制备In、Sn、Nb、Mo共掺杂的n型透明导电薄膜的方法。
背景技术
透明导电薄膜是在可见光区透光( T > 80 %) 、紫外区截至,并且具有较低电阻率(ρ<10-4 Ω·cm)的一种功能薄膜。透明导电薄膜主要分为:金属膜系、透明导电氧化物( TCO) 、高分子膜系、复合膜系、其他化合物膜系等,其中TCO 薄膜是目前工业最广泛应用的。
氧化铟锡(ITO) 透明导电薄膜作为一种TCO薄膜,因其具有高硬度、高耐磨性、耐化学腐蚀和易于刻蚀成一定形状的电极图形等优点，而被广泛应用于液晶显示器、场致发光平板显示器件、太阳能电池和高层建筑物玻璃窗等材料中，目前报道的ITO透明导电薄膜，可在保持90%可见光透过率的情况下，将电阻率降至10-4 Ω·cm量级。其导电性已接近金属的导电性，是目前TCO薄膜市场的主流产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电阻率低、透光性好、导电性能优良的In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜，以及该透明导电薄膜的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明一种In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜，将In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3粉末均匀混合后压制成型，然后在1000℃-1400℃下烧结，制得Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材，所述In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3 粉末的质量比为91:5:1:3；将Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶置于脉冲激光沉积装置中沉积，制得In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜，该透明导电薄膜的最低电阻率达2.23×10-4Ω·cm，平均透光率在90%以上。
一种In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3靶材：将In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3粉末均匀混合后压制成型，然后在1250℃温度下烧结，制得Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材，所述In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3 粉末的质量比为91:5:1:3；
（2）将步骤（1）制作的Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材和依次用超声波清及丙酮洗过的石英片或者玻璃基片衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离为3cm-6cm，生长室真空度抽到压强小于8×10-4Pa，衬底温度为300℃-600℃，生长室内通入纯度为99.99%的氧气，并且氧分压为5pa-10pa，开启激光器，激光频率5Hz，让激光束聚焦到靶材表面烧蚀靶材，形成羽辉，沉积到衬底上，沉积时间为25min，制得In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜。
本发明具有以下有益效果：第一，工艺简单，通过在常压下进行固相烧结法制得了ITO及Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3靶材。第二，采用多元掺杂进一步改善氧化铟基透明导电薄膜导电性能，通过新的高价态元素的掺入提高了材料的导电性，在相同条件下本发明的材料确实比成熟的ITO有着更低的电阻率。根据以往经验探索到了Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3靶材成膜的最佳条件，然后和最佳条件下制得和ITO薄膜进行了数据上的比较。实验得出，现有实验条件下得到的ITO薄膜电阻率为8.27×10-4Ω·cm，透光率在90%左右。而本发明中的Nb、MO、Sn共掺的In2O3材料制得的薄膜最低电阻率可达2.23×10-4Ω·cm，平均透光率也可保证在90%以上。因为Nb、Mo、Sn的原子径和In原子相近，通过实验也可看出，掺杂并没有改变In2O3的晶体结构，最佳的薄膜是严格按照(222)方向生长的。第三，In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜具有较好的稳定性，长时间放置后其光电性能基本没有变化。本发明利用脉冲激光沉积设备，在石英基片上沉积制备出具有独特元素配比的新型透明导电材料。
附图说明
图1是本发明实例2中以最佳ITO制备条件制得的ITO薄膜的XRD图；
图2是本发明实例4中制得的各InSnNbMo共掺杂透明导电薄膜的XRD图；
图3是本发明实例4中制得的InSnNbMo共掺杂透明导电薄膜的电阻率随衬底温度变化的曲线图；
图4是本发明实例4中制得的InSnNbMo共掺杂透明导电薄膜和实例2中制得的ITO透明导电薄膜在可见光范围内透光率随光波波长变化的曲线图；
图5是本发明实例4中500℃条件下制得的InSnNbMo透明导电薄膜的断面电镜图。
具体实施方式
实施例1
一种ITO薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照重量比In2O3：SnO2=9：1的比例称取原料，然后将其混合均匀后压制成型，最后在1000℃的温度下烧结，制得ITO陶塑瓷靶材；
（2）将步骤（1）制得的ITO陶塑瓷靶材和依次用超声波清及丙酮洗过的石英片或者玻璃基片衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离为3cm-6cm，生长室真空度抽到压强小于8×10-4Pa，衬底温度为300℃-600℃，生长室内通入纯度为99.99%的氧气，并且氧分压为5pa-10pa，开启激光器，激光频率5Hz，让激光束聚焦到靶材表面烧蚀靶材，形成羽辉，沉积到衬底上，沉积时间为25min，制得ITO薄膜。
实施例2
一种ITO薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备ITO靶材：靶材由90.0wt%In2O3+10.0wt%SnO2粉末研磨混合均匀、压制成型，然后在1000℃温度下烧结而成；靶材大小为直径30mm，厚度3mm；实际称料：In2O3 为18.0000g，SnO2为2.0000g；
（2）将步骤1制备好的ITO靶材，和依次用超声波及丙酮清洗过的石英片衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与石英片衬底之间的距离为4cm，生长室真空度抽到8×10-4Pa以下，衬底温度为400℃后。生长室内通入纯度为99.99%的氧气，并且氧分压为4pa，开启激光器，激光频率5Hz，让激光束聚焦到靶材表面烧蚀靶材，形成羽辉，沉积到衬底上，沉积时间为25min，制得ITO基透明导电薄膜。这就是按已报道的最佳ITO制备条件制得的ITO薄膜。
所制备的ITO薄膜，电阻率为8.27×10-4Ω·cm，可见光区域平均透光率高于82%，平均在90%左右。所制备的ITO薄膜XRD图像如图1所示，由图1可以看出，薄膜具有明显的In2O3(222)峰，生长方向沿C轴垂直于基片。放置数月后，ITO薄膜的光电性能没有明显变化。
实施例3
一种In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3靶材：将In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3粉末均匀混合后压制成型，然后在1100℃温度下烧结，制得Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材，所述In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3 粉末的质量比为91:5:1:3；
（2）将步骤（1）制作的Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材和依次用超声波清及丙酮洗过的石英片或者玻璃基片衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离为3cm-6cm，生长室真空度抽到压强小于8×10-4Pa，衬底温度为300℃-600℃，生长室内通入纯度为99.99%的氧气，并且氧分压为5pa-10pa，开启激光器，激光频率5Hz，让激光束聚焦到靶材表面烧蚀靶材，形成羽辉，沉积到衬底上，沉积时间为25min，制得In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜。
实施例4
一种In、Sn、Nb、Mo共掺杂透明导电薄膜及其制备方法，包括以下步骤：
（1） 制备InSnNbMo靶材，靶材由1.0wt% Nb2O5 +3.0wt%MoO3和5.0wt%SnO2及In2O3粉末研磨混合均匀、压制成型，然后在1250℃温度下烧结而成；靶材大小为直径30mm，厚度3mm；实际称料：In2O3 为18.2000g，SnO2为1.0000g，MoO3为0.6000g，Nb2O5为0.2000g。
（2）将步骤1制备好的In、Sn、Nb、Mo共掺杂靶材，和依次用超声波及丙酮清洗过的石英片衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与石英片衬底之间的距离为4.5cm，生长室真空度抽到压强为8×10-4Pa，衬底温度升到预设值，生长室内通入纯度为99.99%的氧气，并且氧分压为4pa，开启激光器，激光频率5Hz，让激光束聚焦到靶材表面烧蚀靶材，形成羽辉，沉积到衬底上，沉积时间为25min，制得InSnNbMo共掺杂透明导电薄膜。其中的预设温度从300℃到600℃变化，得到不同条件下的薄膜相互比较以探得最佳制备条件，做出最佳薄膜。
所制备的各InSnNbMo共掺杂透明导电薄膜，透光率均能达到90%的平均透光率，变化不大。从图3中，我们得知在500℃的条件下制得的InSnNbMo透明导电薄膜电阻率最低，为2.23×10-4Ω·cm。所制备的各薄膜XRD图像如图2所示，由图2可以看出，各InSnNbMo透明导电薄膜均具有明显的(222)峰，同时还伴随有(440)峰，在最佳生长条件下此峰消失，严格按(222)峰生长。同时还对各InSnNbMo透明导电薄膜的电阻率和透光率进行了测试和比较，其电阻率与衬底温度的关系图在图3中示出，透光率与波长的关系图在图4中示出。本实施例所制得的InSnNbMo共掺杂透明导电薄膜放置数月后，其光电性能没有明显变化。
Claims (2)
1. In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜，其特征在于：将In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3粉末均匀混合后压制成型，然后在1000℃-1400℃下烧结，制得Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材，所述In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3 粉末的质量比为91:5:1:3；将Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶置于脉冲激光沉积装置中沉积，制得In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜，该透明导电薄膜的最低电阻率达2.23×10-4Ω·cm，平均透光率在90%以上。
2. 一种制备如权利要求1所述的In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3粉末均匀混合后，压制成型，然后在1000℃-1400℃温度下烧结，制得Nb、Mo、Sn共掺杂In2O3陶瓷靶材，所述In2O3、SnO2、Nb2O5和MoO3 粉末的质量比为91:5:1:3；
（2）将步骤（1）得到的In、Sn、Nb、Mo共掺杂靶材和依次用超声波及丙酮清洗过的石英片或者玻璃基片衬底，放入脉冲激光沉积装置的生长室中，所述靶材与所述衬底之间的距离为3cm-6cm，生长室真空度抽到压强小于8×10-4Pa，衬底温度为300℃-600℃，生长室内通入纯度为99.99%的氧气，并且氧分压为4pa；开启激光器，激光频率5Hz，让激光束聚焦到所述靶材表面烧蚀靶材，形成羽辉，沉积到所述衬底上，沉积时间为25min，制得In、Sn、Mo、Nb共掺杂透明导电薄膜。
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