CN103074577B - 氧化镉镁合金透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化镉镁合金透明导电薄膜，该薄膜采用磁控溅射技术，设计合理的溅射参数制备而成。磁控溅射的靶材为氧化镉和氧化镁，薄膜中镁的原子数百分比组分含量值x为：0≤x＜0.5；薄膜厚度为：170—290nm。本发明研究认为，增大薄膜中镁的含量，可实现薄膜在短波范围的截止波长继续向短波方向的拓展，从而拓宽其光学带隙，有效提高短波范围的光透过性能，使其在太阳辐射波长375—1800nm之间，光谱透过率达到75%以上，而镁组分含量与靶材溅射功率、靶材和基片之间的距离、及与薄膜沉积时间长短相关。本发明以磁控溅射方法调节薄膜中Mg的含量，操作简便，只要控制好设计参数，便能工业化规范生产，使之在太阳能电池、光电探测等光电功能材料和器件领域中获得良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电功能材料技术领域，特别涉及一种氧化镉镁合金透明导电薄膜及其制备方法。
背景技术
面临日趋严重的世界能源枯竭问题，太阳能光伏电池技术为人类成功利用太阳能发挥了极其重要的作用。由于太阳辐射光谱的99%以上的波长为150-4000纳米（nm）之间，而太阳能电池只能吸收占太阳辐射光谱50%的波长400-760纳米（nm）的可见光，太阳辐射其余波长的不可见紫外光或红外光不能被利用。传统太阳能电池采用的金属电极虽导电性能好，但光照射在电极区域上受到了一定程度的阻挡，透过率较差，相应降低了太阳光的有效利用率。而利用透光性能良好的透光导电薄膜替代金属电极，可使太阳能电池获得更多的光能量。但是现有的透光导电薄膜的透光波段只能透过太阳辐射某一波段的光，并不能覆盖太阳光谱的全部波段，因而优化透明导电薄膜的透光波段，使其在太阳能电池的窗口材料、光敏探测器等电子器件应用中具有更好的普适性具有重要价值。为此，提高现有透光导电薄膜的透光波段，使其尽可能地覆盖较宽的太阳光谱的波段范围，将是业内科技人员须深入研究的新课题。
发明内容
本发明公开了一种氧化镉镁合金透明导电薄膜及其制备方法，目的在于通过对组成透明导电薄膜各种材质的透光性能，及磁控溅射所须参数进行对比研究，以设定导电薄膜制备的磁控溅射的条件，最终获得可使紫外波段光透过性能提高的透明导电薄膜。
本发明的技术解决方案：
本发明经研究认为，如进一步促使导电薄膜光学吸收边，在短波范围的截止波长向短波方向再继续拓展，将能有效提高短波范围的光透过性能；又研究认为，在氧化镉（CdO）基薄膜中掺入一定量的镁（Mg）形成氧化镉镁合金（Cd1-xMgxO）可实现上述导电薄膜在短波范围的截止波长继续向短波方向的拓展，从而提高薄膜材料的光学带隙，达到对太阳辐射紫外波段具有更好的光透过特性。
本发明产品特征：
本发明所称的氧化镉镁合金（Cd1-xMgxO）透明导电薄膜（以下简称薄膜），采用磁控溅射技术制备而成，所述磁控溅射的靶材为氧化镉和氧化镁。所述薄膜接受太阳光的透过特性，与磁控溅射靶材氧化镁含量大小相关；提高薄膜中镁含量，氧化镉镁合金的能带间隙增大，将相应地使氧化镉镁合金（Cd1-xMgxO）薄膜光学吸收边向短波方向移动，所述薄膜中镁（Mg）组分含量值x（指原子数百分比含量）范围为：0≤x＜0.5；所述薄膜厚度范围为：170—290 nm。
本发明方法的具体工艺步骤如下：
（一）将双面抛光的玻璃基片洗净、用高压氮气吹干后装入具有纯度均高于99.99%的氧化镉（CdO）、氧化镁（MgO）两种靶材的磁控溅射装置的基片架上；
（二）本底真空及基片的升温：待多靶磁控溅射薄膜沉积系统，本底真空度降至2×10-6 torr以下时，再开始进行基片的逐步升温，待基片温度稳定至270°C并保持10-20分钟；
（三）溅射沉积：先将步骤（二）中两种靶材的溅射参数调至设计数值进行溅射，溅射操作过程中旋转基片架，溅射沉积完成后获得相应的薄膜厚度，关闭氩气的供给，使薄膜在1.0×10-6 torr以下的真空环境中，自然冷却至室温；
（四）采用霍尔效应（测量系统为Ecopia, Hall effect measurement system，型号为HMS-3000）和卢瑟福背散射（RBS）实验测量程序，对生长在步骤（一）玻璃基片上的薄膜进行测量，获得透明导电薄膜中Mg的含量。
本发明方法在多次实验中，设计溅射的参数如下：溅射气体为高纯氩气；通入氩气前的本底真空为2×10-6 Torr以下；溅射压强为5.6-6.3 mTorr；两个靶材的溅射功率范围分别是：氧化镉CdO为30—150W；MgO为50—150W；靶材CdO、靶材MgO与基片之间的距离分别为11.0 cm和11.0～12.5 cm；所述溅射压强或为5.9-6.1 mTorr；最佳为6.0 mTorr；所述溅射沉积时间范围为30-100分钟。溅射沉积后，采用霍尔效应和卢瑟福（RBS）背散射作实验测量；所获得的透明导电薄膜中Mg组分含量从1.0%至48%。
本发明方法，确定溅射功率CdO为100W、MgO为100W，作RBS实验测量， Mg含量为10.0%；或确定溅射功率CdO为40W、MgO为150W，Mg含量为33.0%。
本发明方法经多次实验证实；
所述薄膜中Mg组分含量的变化与磁控溅射靶材溅射功率相关，溅射功率越大，溅射出的粒子越多，薄膜沉积的速率越快，薄膜中含有相应靶材的含量越多；所述在相同溅射功率的条件下，薄膜厚度与薄膜沉积的时间长短相关，在一定时间范围内，沉积的时间越长薄膜厚度越大；所述薄膜中Mg组分含量的变化与磁控溅射靶和其基片之间的距离相关。
本发明的有益效果：
（一）本发明制备的合金导电薄膜，只要增大合金中镁（Mg）的含量就可以有效增大导电薄膜的光学带隙宽度，进一步增大该合金导电薄膜的紫外波段的光透过范围；同时红外波段的光透过率无明显下降。试验证实，太阳辐射波长为375—1800 nm的范围内光谱透过率仍达75%以上，具有更好的紫外波段光透过性能。
（二）本发明方法以磁控溅射方法调节薄膜中Mg 的含量，操作简便，只要控制好设计参数，便可工业化规范生产，而所采用的基片是为更贴近实际生产状态的玻璃，可在太阳能电池、光电探测等光电功能材料和器件领域中具有良好的应用前景。
附图说明
附图1为本发明氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜的x射线衍射谱。
附图2为附图1中53.5°—58°衍射峰的局部放大图；图中，分散状小黑点为实验测量值，实线是拟合曲线。
附图3为本发明氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜光透过测量结果图谱与太阳光谱的对比图（图中虚线为太阳光谱图线；另，因图幅有限、未能示出所有Mg含量的透射光谱测量结果）。
附图4为本发明所制备的不同Mg含量值x相应的氧化镉镁（Cd1-xMgxO合金透明导电薄膜吸收系数平方与入射光子能量的关系曲线图。
附图5为本发明所制备的不同Mg含量值x相应的氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜能带间隙的变化关系曲线图；图中直线1（点划线）表示氧化镉、氧化镁合金能带宽度经验公式的线性关系；曲线2（虚线）表示实施例实际测得的光学带隙随Mg组分x的变化关系。
具体实施方式
本发明基于氧化镉的能带宽度为2.3 eV，氧化镁的能带宽度为7.8 eV，根据经验公式：
获得氧化镉、氧化镁合金的能带宽度值将随合金中镁含量的增加而增大的趋势，相应可拓展本发明所获得的透明导电薄膜紫外波段的短波透光截止波长值。本发明将多次实验结果作图分析得到了验证。
以下给出实施例，并结合附图对本发明作进一步说明：
本实施例制备氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜的磁控溅射的条件是：
a.靶材为纯度均高于99.99%的氧化镉（简称CdO）、氧化镁（简称MgO）；
b.薄膜沉积前系统的本底真空低于2×10-6 torr，基片温度全部为270°C；
c.溅射气体为高纯氩气；溅射压强为5.6-6.3 mTorr；
d.两个靶材的溅射功率范围分别是：CdO为30—150W；MgO为50—150W；
e.靶材CdO、靶材MgO与基片之间的距离分别为11.0 cm和11.0～12.5 cm；
f..沉积过程中须匀速旋转衬底架。
本实施例采用卢瑟福背散射（RBS）实验方法，测得氧化镉镁合金薄膜中Mg组分含量。
附图1表示了氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜的不同Mg含量x射线衍射谱图，图中每个样品均显示出（111）、（002）、（220）和（113）等四个衍射峰，依次相应于CdO晶体的33.0°、38.3°、55.3°和66.0°衍射角附近，从而证实本发明所获得的合金薄膜是以CdO材料为基础的薄膜材料。
同时附图1也清楚地反映出每个衍射峰均具有随着透明导电薄膜中Mg含量增加向衍射角2θ增大方向的偏移现象，这是因为Mg原子的半径小于Cd原子的半径，当Mg原子替代CdO晶体中的Cd原子时，导致Cd1-xMgxO合金的晶格常数相对于CdO晶体的晶格常数缩小，相应的晶面衍射峰的2θ角向大角度方向偏移，并且随着合金中Mg含量的增加，晶格常数变化量就越大，相应的衍射峰的偏移量就越大。
附图2所称的局部放大图，为本发明氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜利用X射线衍射仪（型号为Siemens D500）测量的x射线衍射谱中（220）衍射峰的衍射角随合金中Mg含量偏移变化的情况，图中清楚地表示出（220）衍射峰的2θ衍射角随着Cd1-xMgxO合金中Mg含量x增大而向大角度方向偏移的变化趋势；如，当x=0.18和x=0.48时，合金薄膜（220）衍射峰的2θ衍射角从CdO晶体的55.3°偏移到55.46°和56.84°；另外，该图中还表现出衍射峰随Mg含量的增加出现衍射峰宽化的现象，分析是由于合金薄膜中所形成的氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金晶粒尺寸减小的原因。
附图3显示了本发明氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜的Mg含量分别为x=0.38和x=0.48的透明导电薄膜透射光谱图线。图中表明增大合金中镁（Mg）的含量就可以有效增大导电薄膜的光学带隙宽度，进一步增大该合金导电薄膜的紫外波段的光透过范围。同时也可见，红外波段的光透过率也没有明显下降，对于x=0.48的氧化镉镁（Cd1-xMgxO）合金透明导电薄膜，太阳辐射波长为375—1800 nm的范围内光谱透过率仍达75%以上。Cd1-xMgxO合金薄膜的光透过特性不仅扩展了导电薄膜的紫外波段的光透过范围，红外波段的光透过率也较高，覆盖了更广的太阳光谱辐照范围，比现有技术的透明导电薄膜具有更广阔的应用前景。
附图4给出本发明所制备的不同Mg含量值x的氧化镉镁合金透明导电薄膜吸收系数平方与入射光子能量的关系曲线图。该图非常清楚地显示出随着Mg含量的增加，氧化镉镁合金透明导电薄膜的光学吸收边向高能量方向发生移动（常称为蓝移，也即向短波方向移动）。而透明导电薄膜材料的光学带隙值，为线条直线延伸虚线与能量轴相交的截距值，也即为该薄膜材料相应的截止能量值。当x=0.18，0.26，0.48时，能带宽度依次为2.79 eV，3.05 eV，3.31 eV，与透射光谱紫外区域截止波长值443 nm，406 nm，375 nm等对应，更清楚地显示了不同Mg含量的Cd1-xMgxO合金薄膜的紫外截止波长。
附图5示出了本发明所制备的不同Mg含量值x的Cd1-xMgxO合金透明导电薄膜能带间隙的变化关系曲线图；图中直线1（点划线）为公式（1）表示的线性关系，曲线2（虚线）为本实施例实际测得的光学带隙随Mg组分x的变化关系。可以看出实际测量的光学带隙变化曲线2偏离线性的变化关系的直线1，该现象在其它合金体系中也常常表现出非线性变化关系。
此外，还利用霍尔效应测量系统（Ecopia，型号为HMS-3000）对所制备的透明导电薄膜的载流子浓度、载流子的迁移率、电阻率等电学参数进行了测量，测量结果为：本透明导电薄膜为n型导电薄膜，薄膜中载流子浓度的范围为2.0×1020～1.5×1018 cm-3，且载流子浓度具有随Mg含量增加而快速减小的趋势；迁移率数值范围为：8.6～108 cm2/Vs，具有随Mg含量增加而减小的变化趋势，当Mg含量x=0.08时的迁移率数值为101.6，当Mg含量x=0.48时的迁移率数值为8.6。
综上，本发明达到了预期的发明目的。
Claims (5)
1.一种氧化镉镁合金透明导电薄膜的制备方法，采用磁控溅射技术制备而成，该方法的具体工艺步骤如下：
（一）将双面抛光的玻璃基片洗净、用高压氮气吹干后装入具有纯度均高于99.99%的氧化镉（CdO）、氧化镁（MgO）两种靶材的磁控溅射装置的基片架上；
（二）本底真空及基片的升温：待多靶磁控溅射薄膜沉积系统，本底真空度降至2×10-6 torr以下时，再开始进行基片的逐步升温，待基片温度稳定至270°C并保持10-20分钟；
（三）溅射沉积：先将步骤（二）中两种靶材的溅射参数调至使溅射沉积后的薄膜中镁（Mg）组分（原子数百分比）含量值x范围为：0≤x＜0.5；薄膜厚度范围为：170—290 nm的要求数值再进行溅射，溅射操作过程中旋转基片架，溅射沉积完成后获得相应的薄膜厚度，关闭氩气的供给，使薄膜在1.0×10-6 torr以下的真空环境中，自然冷却至室温；所述溅射参数如下：溅射气体为高纯氩气；通入氩气前的本底真空为2×10-6 Torr以下；溅射压强为5.6-6.3 mTorr；两个靶材的溅射功率范围分别是：氧化镉CdO为30—150W；MgO为50—150W；靶材CdO、靶材MgO与基片之间的距离分别为11.0 cm和11.0～12.5 cm；
（四）采用霍尔效应和卢瑟福背散射（RBS）实验测量程序，对生长在步骤（一）玻璃基片上的薄膜进行测量，获知透明导电薄膜中Mg的含量。
2.根据权利要求1所述的一种氧化镉镁合金透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：确定溅射功率CdO为100W、MgO为100W，作RBS实验测量， Mg含量为10.0%；或确定溅射功率CdO为40W、MgO为150W，作RBS实验测量，Mg含量为33.0%。
3.根据权利要求1所述的一种氧化镉镁合金透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述溅射压强为5.9-6.1 mTorr。
4.根据权利要求3所述的一种氧化镉镁合金透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述溅射压强最佳为6.0 mTorr。
5.根据权利要求1所述的一种氧化镉镁合金透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述溅射沉积的时间范围为30-100分钟。
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| WO2002031890A2 (en) * | 2000-10-13 | 2002-04-18 | North Carolina State University | OPTOELECTRONIC AND MICROELECTRONIC DEVICES INCLUDING CUBIC ZnMgO AND/OR CdMgO ALLOYS AND METHODS OF FABRICATING SAME |
| CN101572279A (zh) * | 2009-06-10 | 2009-11-04 | 南开大学 | 溅射法生长高迁移率绒面结构IMO/ZnO复合薄膜及太阳电池应用 |
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