CN103668064A - 铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，其化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的可见光透过率达95%，能够应用于薄膜电致发光显示器中。本发明还提供该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的制备方法及其应用。

Description

铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜、制备方法及其应用

【技术领域】

本发明涉及一种铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜、其制备方法、薄膜电致发光器件及其制备方法。

【背景技术】

薄膜电致发光显示器(TFELD)由于其主动发光、全固体化、耐冲击、反应快、视角大、适用温度宽、工序简单等优点，已引起了广泛的关注，且发展迅速。目前，研究彩色及至全色TFELD，开发多波段发光的薄膜，是该课题的发展方向。但是，可应用于薄膜电致发光显示器的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，仍未见报道。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种可应用于薄膜电致发光器件的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜、其制备方法该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜电致发光器件及其制备方法。

一种铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，其化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。

在优选实施例中，所述铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜是纳米线结构的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，所述纳米线直径为500nm～2000nm。

一种铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

根据ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺各元素的化学计量比将ZnO，Al₂O₃和Ga₂O₃粉体，经过混合后，在900℃~1300℃下烧结得到靶材，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08；

将衬底装入脉冲激光沉积设备的反应室中，并将反应室的真空度设置为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-5Pa；

调节基靶间距为45mm~95mm，衬底的温度为250℃~750℃，工作气体的流量为10sccm~40sccm，工作压强为3Pa～30Pa，脉冲激光能量为80W~300W，进行脉冲激光沉积得到化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜。

在优选的实施例中，所述工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。

在优选的实施例中，基靶间距为60mm，衬底的温度为500℃，工作气体的流量为20sccm，工作压强为10Pa，脉冲激光能量为150W；

一种薄膜电致发光器件，该薄膜电致发光器件包括依次层叠的衬底、阳极层、发光层以及阴极层，所述阳极层的材料为铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。

一种薄膜电致发光器件的制备方法，包括以下步骤：

提供透明的玻璃衬底；

在所述衬底上形成阳极层，所述阳极层为铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08;

在所述阳极层上形成发光层，在所述发光层上形成阴极。

在优选的实施例中，所述阳极层的制备包括以下步骤：

根据ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺各元素的化学计量比将ZnO，Al₂O₃和Ga₂O₃粉体，经过混合后，在900℃~1300℃下烧结得到靶材，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08；

将衬底装入脉冲激光沉积设备的反应室中，并将反应室的真空度设置为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-5Pa；

调节基靶间距为45mm~95mm，衬底的温度为250℃~750℃，工作气体的流量为10sccm~40sccm，工作压强为3Pa～30Pa，脉冲激光能量为80W~300W，进行脉冲激光沉积得到化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜。

上述铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜（ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺）的透过率测试曲线中，在可见光470nm~790nm波长范围平均透过率达95%，能够应用于薄膜电致发光显示器中。

【附图说明】

图1为一实施方式的薄膜电致发光器件的结构示意图；

图2为实施例1制备的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的透过率测试曲线；

图3为实施例1制备的铝镓共掺杂氧化锌纳米线透明导电薄膜的电镜扫描图。

图4为实施例1制备的薄膜电致发光器件与对比例比较的亮度与电压关系图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜、其制备方法和薄膜电致发光器件及其制备方法作进一步阐明。

一实施方式的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，其化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。

优选的，铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜是纳米线结构的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，纳米线直径为500nm～2000nm。

上述铝镓共掺杂氧化锌纳米线透明导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤S11、根据ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺各元素的化学计量比将ZnO，Al₂O₃和Ga₂O₃粉体，经过混合后，在900℃~1300℃下烧结得到靶材，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08；

将衬底装入脉冲激光沉积设备的反应室中，并将反应室的真空度设置为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-5Pa。

在本实施方式中，衬底为透明的玻璃；衬底先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，氮气风干后送入反应室；

优选的，在1250℃下烧结得到靶材；反应室的真空度为5.0×10^-4Pa。

步骤S13、调节基靶间距为45mm~95mm，衬底的温度为250℃~750℃，工作气体的流量为10sccm~40sccm，工作压强为3Pa～30Pa，脉冲激光能量为80W~300W，进行脉冲激光沉积得到化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜；

在优选的实施例中，工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。

在优选的实施例中，基靶间距为60mm，衬底的温度为500℃，工作气体的流量为20sccm，工作压强为10Pa，脉冲激光能量为150W。

该方法是采用激光烧蚀靶材，使靶材中的氧化铝，氧化镓和氧化锌等材料被烧蚀成原子或离子团的粒子，粒子在基底上沉积的过程中，通过通入大量的惰性气体，使粒子钝化，在基板上分散成核，然后在各个成核点垂直生长，形成柱状的纳米线。可以通过调节惰性气体压强的大小来控制纳米线的粗细和线间距。理论上，通入惰性气体压强大的，得到的纳米线较细，线间距较大。

请参阅图1，一实施方式的薄膜电致发光器件100，该薄膜电致发光器件100包括依次层叠的衬底1、阳极2、发光层3以及阴极4。

衬底1为透明的玻璃衬底。阳极2的材料为铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。发光层3为有机发光层，如Alq₃，阴极4的材质为银（Ag）。

上述薄膜电致发光器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤S21、在衬底1上形成阳层2。

本实施方式中，衬底1为玻璃衬底，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗并用氮气吹干，阳极2为铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。

本实施方式中，阳极层2由以下步骤制得：

首先，根据ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺各元素的化学计量比将ZnO，Al₂O₃和Ga₂O₃粉体，经过混合后，在900℃~1300℃下烧结得到靶材，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08；

将衬底装入脉冲激光沉积设备的反应室中，并将反应室的真空度设置为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-5Pa，

再则、调节基靶间距为45mm~95mm，衬底的温度为250℃~750℃，工作气体的流量为10sccm~40sccm，工作压强为3Pa～30Pa，脉冲激光能量为80W~300W，进行脉冲激光沉积得到化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。

在优选的实施例中，所述基靶间距为60mm，衬底的温度为500℃，工作气体的流量为20sccm，工作压强为10Pa，脉冲激光能量为150W;

步骤S22、在阳极2上形成发光层3，发光层3的材料为有机发光层，如Alq₃；在发光层3上形成阴极4。

本实施方式中，阴极4的材料为银（Ag），由蒸镀形成。

下面为具体实施例。

实施例1

将0.95mol ZnO，0.01mol Al₂O₃和0.02mol Ga₂O₃粉体经过均匀混合后，在1250℃下烧结成尺寸为直径50，厚度为2mm的陶瓷靶材是圆饼的形状，并将靶材装入真空腔体内，将透明玻璃衬底，先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，并用对其进行氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为60mm，用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至5.0×10^-4Pa；采用氩气作为工作气流，工作气流量为20sccm，压强调节为10Pa，衬底温度为500℃，脉冲激光能量150W，开始在透明玻璃衬底上进行薄膜的沉积。薄膜的厚度沉积至120nm，取出样品得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.02Al³⁺,0.04Ga³⁺，然后在样品上面蒸镀Alq₃有机发光层和阴极银层，制备成有机发光器件。

对比例

将0.95mol ZnO，0.01mol Al₂O₃和0.02mol Ga₂O₃粉体经过均匀混合后，在1250℃下烧结成尺寸为直径50，厚度为2mm的陶瓷靶材是圆饼的形状，并将靶材装入真空腔体内，将透明玻璃衬底，先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，并用对其进行氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为60mm，用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至5.0×10^-4Pa；采用氧气作为工作气流，工作气流量为15sccm，压强调节为1Pa，衬底温度为500℃，脉冲激光能量150W，开始在透明玻璃衬底上进行薄膜的沉积。薄膜的厚度沉积至120nm，取出样品得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.02Al³⁺,0.04Ga³⁺，然后在样品上面蒸镀Alq₃有机发光层和阴极银层，制备成有机发光器件。

本实施例中得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.02Al³⁺,0.04Ga³⁺。

测试结果为：

采用四探针电阻测试仪测得方块电阻为8Ω/囗。

请参阅图2，图2所示为得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的的透过率测试曲线。由图2可以看出，使用紫外可见分光光度计，测试波长300nm~800nm，在可见光470~790nm波长范围平均透过率达90%，能够应用于薄膜电致发光显示器中。

请参阅图3，图3为实施例1制备的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的电镜扫描图，从图3中可以看出纳米线的直径以500nm~2000nm为主。

请参阅图4，图4为实施例1制备的薄膜电致发光器件与对比例的电压与亮度关系图，在附图4中曲线1是实施例1制备的薄膜电致发光器件电压与亮度关系曲线，曲线2是对比例制备的薄膜电致发光器件电压与亮度关系曲线，可看出：可看出纳米线状样品使器件的启动电压降低从4.5V到4.0V，亮度提高从510cd/m²到590cd/m²。

实施例2

将0.90mol ZnO，0.005mol Al₂O₃和0.04mol Ga₂O₃粉体经过均匀混合后，在1300℃下烧结成尺寸为直径50，厚度为2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内，将玻璃衬底，先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，并用对其进行氮气吹干放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为45mm，用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至1.0×10^-5Pa；采用氖气作为工作气流，工作气流量为10sccm，压强调节为3Pa，衬底温度为250℃，脉冲激光能量300W，开始薄膜的沉积。薄膜的厚度沉积至80nm，取出样品得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.01Al³⁺,0.08Ga³⁺，然后在样品上面蒸镀Alq₃有机发光层和阴极银层，制备成有机发光器件。

测试结果为：

采用四探针电阻测试仪测得方块电阻为15Ω/囗，使用紫外可见分光光度计，测试波长300nm~800nm，在可见光470~790nm波长范围平均透光率为88%。

实施例3

将0.95mol ZnO，0.02mol Al₂O₃和0.005mol Ga₂O₃粉体经过均匀混合后，在900℃下烧结成尺寸为直径50，厚度为2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内，将玻璃衬底，先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，并用对其进行氮气吹干放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm，用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至1.0×10^-3Pa；采用氪气作为工作气流，工作气流量为40sccm，压强调节为30.0Pa，衬底温度为750℃，脉冲激光能量80W，开始薄膜的沉积。薄膜的厚度沉积至90nm，取出样品得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.04Al³⁺,0.01Ga³⁺，然后在样品上面蒸镀Alq₃有机发光层和阴极银层，制备成有机发光器件。

测试结果为：

采用四探针电阻测试仪测得方块电阻为18Ω/囗，使用紫外可见分光光度计，测试波长300nm~800nm，在可见光470~790nm波长范围平均透光率为94%。

实施例4

将0.9mol ZnO，0.005mol Al₂O₃和0.005mol Ga₂O₃粉体经过均匀混合后，在1300℃下烧结成尺寸为直径50，厚度为2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内，将玻璃衬底，先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，并用对其进行氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm，用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至1.0×10^-5Pa；采用氩气作为工作气流，工作气流量为30sccm，压强调节为25Pa，衬底温度为500℃，脉冲激光能量120W，开始薄膜的沉积。薄膜的厚度沉积至100nm，取出样品得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.005Al³⁺,0.005Ga³⁺，然后在样品上面蒸镀Alq₃有机发光层和阴极银层，制备成有机发光器件。测试结果为：

采用四探针电阻测试仪测得方块电阻为56Ω/囗，使用紫外可见分光光度计，测试波长300nm~800nm，在可见光470~790nm波长范围平均透光率为92%。

实施例5

将0.87mol ZnO，0.05mol Al₂O₃和0.08mol Ga₂O₃粉体经过均匀混合后，在1300℃下烧结成尺寸为直径50，厚度为2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内，将玻璃衬底，先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，并用对其进行氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm，用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至1.0×10^-5Pa；采用氪气作为工作气流，工作气流量为30sccm，压强调节为?Pa，衬底温度为450℃，脉冲激光能量90W，开始薄膜的沉积。薄膜的厚度沉积至120nm，取出样品得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.05Al³⁺,0.08Ga³⁺，然后在样品上面蒸镀Alq₃有机发光层和阴极银层，制备成有机发光器件。测试结果为：

采用四探针电阻测试仪测得方块电阻为33Ω/囗，使用紫外可见分光光度计，测试波长300nm~800nm，在可见光470~790nm波长范围平均透光率为95%。

实施例6

将0.94mol ZnO，0.03mol Al₂O₃和0.03mol Ga₂O₃粉体经过均匀混合后，在1300℃下烧结成尺寸为直径50，厚度为2mm的陶瓷靶材，并将靶材装入真空腔体内，将玻璃衬底，先后用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗5分钟，然后用蒸馏水冲洗干净，并用对其进行氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为95mm，用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽至1.0×10^-5Pa；采用氙气作为工作气流，工作气流量为25sccm，压强调节为10Pa，衬底温度为450℃，脉冲激光能量110W，开始薄膜的沉积。薄膜的厚度沉积至130nm，取出样品得到的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学通式为ZnO：0.03Al³⁺,0.03Ga³⁺，然后在样品上面蒸镀Alq₃有机发光层和阴极银层，制备成有机发光器件。测试结果为：

采用四探针电阻测试仪测得方块电阻为50Ω/囗，使用紫外可见分光光度计，测试波长300nm~800nm，在可见光470~790nm波长范围平均透光率为90%。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，其特征在于，其化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。

2.根据权利要求1所述的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，其特征在于，所述铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜是纳米线结构的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，所述纳米线直径为500nm～2000nm。

3.一种铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺各元素的化学计量比将ZnO，Al₂O₃和Ga₂O₃粉体，经过混合后，在900℃~1300℃下烧结得到靶材，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08；

将衬底装入脉冲激光沉积设备的反应室中，并将反应室的真空度设置为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-5Pa；

调节基靶间距为45mm~95mm，衬底的温度为250℃~750℃，工作气体的流量为10sccm~40sccm，工作压强为3Pa～30Pa，脉冲激光能量为80W~300W，进行脉冲激光沉积得到化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜。

4.根据权利要求3所述的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。

5.根据权利要求3所述的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述基靶间距为60mm，衬底的温度为500℃，工作气体的流量为20sccm，工作压强为10Pa，脉冲激光能量为150W。

6.一种薄膜电致发光器件，该薄膜电致发光器件包括依次层叠的衬底、阳极层、发光层以及阴极层，其特征在于，所述阳极层的材料为铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08。

7.根据权利要求6所述的薄膜电致发光器件的制备方法，其特征在于，所述阳极层具有纳米线结构，所述纳米线直径为500nm～2000nm。

8.一种薄膜电致发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供透明的玻璃衬底；

在所述衬底上形成阳极层，所述阳极层为铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜，该铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08;

在所述阳极层上形成发光层，在所述发光层上形成阴极。

9.根据权利要求8所述的薄膜电致发光器件的制备方法，其特征在于，所述阳极层的制备包括以下步骤：

根据ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺各元素的化学计量比将ZnO，Al₂O₃和Ga₂O₃粉体，经过混合后，在900℃~1300℃下烧结得到靶材，其中，0.005≤x≤0.05，0.005≤y≤0.08；

将所述衬底装入脉冲激光沉积设备的反应室，并将反应室的真空度设置为1.0×10^-3Pa~1.0×10^-5Pa；

调节基靶间距为45mm~95mm，衬底的温度为250℃~750℃，工作气体的流量为10sccm~40sccm，工作压强为3Pa～30Pa，脉冲激光能量为80W~300W，进行脉冲激光沉积得到化学式为ZnO：xAl³⁺,yGa³⁺的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜。

10.根据权利要求9所述的铝镓共掺杂氧化锌导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述基靶间距为60mm，衬底的温度为500℃，工作气体的流量为20sccm，工作压强为10Pa，脉冲激光能量为150W。

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