柔性聚酰亞胺_PI_襯底上ITO薄膜的生長及其透明導(dǎo)電性能影(精)

1、柔性聚酰亞胺（P I襯底上I T O薄膜的生長及其透明導(dǎo)電性能影響機(jī)制研究*趙佳明1,邊繼明1,孫景昌2,張 東1,梁紅偉1,駱英民1 （1.大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，遼寧大連116024; 2.遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116029 摘要：采用直流磁控濺射法在聚酰亞胺（P I柔性 襯底上生長氧化鈿錫（I T O薄膜，采用X P-2探針臺(tái)階 儀、X射線衍射（X R D、霍爾測試儀、紫外-可見分光光 度計(jì)等對(duì)I T。薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)和光電性能表征。結(jié)果 表明濺射功率和沉積氣壓是影響磁控濺射法生長I TO薄膜透明導(dǎo)電性能的主要因素，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了濺射 功率和沉積氣壓對(duì)I TO薄膜透

2、明導(dǎo)電性能的影響機(jī) 制。在優(yōu)化的工藝條件下（濺射功率100W和沉積氣 壓0.4P a制備了在可見光區(qū)平均透射率達(dá) 86%、電 阻率為3.1 M0-4Q c搟1光電性能優(yōu)良的I T O透 明導(dǎo)電薄膜。關(guān)鍵詞：磁控濺射;聚酰亞胺（P I;柔性襯底;I T。透 明導(dǎo)電膜中圖分類號(hào)：O484;T B43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-9731（2011 增干UIV -644-041引言氧化鈿錫（I n d i u m t i n o x i d e,簡稱I T O是一種鈿氧化物（I n2O3和錫氧化物（S n O2的混合物，因其具有高可見光透射率（80%和高紅外反射率，低電阻率（可低達(dá)10-4Q c

3、m,磨損以 及良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在液晶顯示器、太陽能電池、防微波輻射等 領(lǐng)域有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用1,2 o目前，已成為最具代表性的透明導(dǎo)電氧化物薄膜材 料。通常IT。透明導(dǎo)電薄膜大都采用磁控濺射法生長在藍(lán)寶石、玻璃等硬質(zhì)材料 襯底上，薄膜具有很低的電阻率（10-3。 cm,且在可見光范圍內(nèi)透射率高達(dá) 80%以 上該生長工藝已經(jīng)非常成熟3。采用磁控濺射法制備I T O透明導(dǎo)電膜具有膜層 厚度均勻、易控制、膜重復(fù)性好等特點(diǎn)。近年來，隨著半導(dǎo)體器件的小型化和輕量 化的發(fā)展，柔性襯底透明導(dǎo)電膜因其具有可折疊、質(zhì)量輕、不易碎、易于大面積生 產(chǎn)和便于運(yùn)輸?shù)缺姸鄡?yōu)點(diǎn)而成為光電學(xué)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)4

4、0但是,與在玻璃等硬質(zhì)襯底上生長I T O薄膜相比，在輕質(zhì)柔性襯底上生長I T O薄膜對(duì)工藝條件的要求 要苛刻很多，還存在很大的技術(shù)瓶頸。這主要是由于柔性襯底的耐熱性能很差，一般要求生長溫度要盡量的低。然而在低生長溫度下，又很難解決生長溫度和導(dǎo)電性以及光學(xué)透過特性的制約關(guān)系。雖然一些研究者已經(jīng)開始了在柔性襯底上生長ITO薄膜的嘗試，但薄膜的綜合光電性能仍不理想5。另外，由于I T O薄膜復(fù)雜的原胞結(jié)構(gòu)（每個(gè) 原胞含80個(gè)原子和復(fù)雜的摻雜機(jī)制（氧缺位和S n4+X11 n3+的替換6,導(dǎo)致了對(duì)薄 膜基本性質(zhì)（導(dǎo)電機(jī)制、能帶結(jié)構(gòu)等的認(rèn)識(shí)還存在很大差異。在柔性襯底的選擇上，聚甲基丙烯酸甲酯（P M-

5、MA、聚苯乙烯（P S和聚碳酸酯 （P C都可被用作光學(xué)器件的柔性襯底，但由于其耐溫性往往不夠，限制了其在微電子 以及光電子等高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。相對(duì)于這些聚合物材料，聚酰亞胺（p o l y i m i de,P I是一種極好的耐高溫材料，它具備優(yōu)良的力學(xué)、介電、耐輻射和耐溶劑等性能 7,8,因此成為目前柔性襯底材料的首選。開展聚酰亞胺（P I襯底上I T O薄膜的生長及其透明導(dǎo)電性能影響機(jī)制研究，對(duì)于充分合理利用我國鈿資源，搶占國際市場，為 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)建設(shè)服務(wù)具有重要意義。本文采用直流磁控濺射法在聚酰亞胺（P I柔性襯底上生長氧化鈿錫（I T O薄膜, 通過多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，摸索了

6、磁控濺射制備P I襯底上ITO透明導(dǎo)電膜的 最佳生長條件，著重研究了濺射功率和沉積氣壓對(duì) P I襯底上ITO薄膜的光電性能 影響機(jī)制。2實(shí)驗(yàn)2.1 I T。薄膜的制備實(shí)驗(yàn)采用沈陽聚智科技有限公司研制的J Z C K-450D型高真空多功能磁控濺射鍍膜裝置，通過直流磁控濺射方法，在聚酰亞胺（P I襯底上制備I T O薄膜。實(shí)驗(yàn)采 用I T O陶瓷靶材（I n2O3 : S n O2的質(zhì)量比9 ： 1，純度99.99%,靶面直徑為5c m、靶厚為6m m。鍍膜前,P I基片 用去污粉擦洗 乙醇、去離子水依次超聲清洗10m i n,之后放在烘箱中烘干。當(dāng)濺射 真空室的真空度達(dá)到1X10-5 P a后

7、，通入高純的氮?dú)猓兌葹?9.999%為濺射氣體， 通過質(zhì)量流量計(jì)調(diào)節(jié)氧氣，實(shí)驗(yàn)中控制沉積氣壓為0.41.6P a襯底溫度為室溫，濺 射功率為70160W,薄膜生長時(shí)間為60m i n。每次濺射之前都預(yù)先在氧氣中預(yù)濺射 5m i n左右，除去靶表面氧化物。4 462011年增刊IV （42卷*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（10804014;中央高校基本科研業(yè)務(wù) 費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（D U T10L K01收到初稿日期：2010-12-10收到修改稿日 期:2011-05-02通訊作者：邊繼明作者簡介:趙佳明（1984-,男，黑龍江綏化人，在讀碩士，師承邊繼明副教授，從事 光電材料與器

8、件研究。2.2 I T。薄膜的表征采用美國A m b i o s T e c h n o l o g y I n c公司的X P-2探針臺(tái)階儀測試I T。薄膜的厚度；晶體結(jié)構(gòu)由S H I M A D-Z U X R D-7000型X射線衍射儀（X R D測試，使用C u Ka輻射作為X射線源（入=0.15406n m;I TO薄膜的電學(xué)特性由英國A c c e n t公司霍爾測試儀（H A L L5500S Y ST E M測試;可見光透射光譜采用 S H I M A D Z U U V-2450型紫外-可見光分光光度計(jì)測試。3結(jié)果與討論采用直流磁控濺射設(shè)備能夠很好地解決柔性P I襯底對(duì)沉積速

9、度、襯底溫度等工藝條件的苛刻要求。實(shí)驗(yàn)中采用的柔性P I襯底可見光透射率可達(dá)到95%以上，對(duì)生長薄膜的可見光透射率影響很小。由于濺射功率和沉積氣壓對(duì)柔性P I襯底上生長I T。薄膜的光電性能的重要影響，對(duì)這兩個(gè)變量作了重點(diǎn)研究。3.1濺射功率對(duì)I T。薄膜的光電性能影響機(jī)制分析首先對(duì)濺射功率的影響進(jìn)行了分析。圖1為保持1400沉積氣壓(0.4P a不變時(shí),I T O薄膜的電阻率和方塊電 阻隨濺射功率的變化情況。由圖1可知，隨著濺射功 率的逐漸增大,I T。薄膜的電阻率稍有減少而后大幅 增加，方塊電阻也是先減小而后增加，存在一個(gè)最佳點(diǎn) (100W、0.4P a此時(shí)電阻率約為 3.1 10-4Q

10、c m 60040口gsQUElfl.saJ 吊 alls o o -o(o(o o o o 12108060402050 v 100150DC powerA/V200沉積氣壓時(shí)，薄膜的電阻率和方沉積氣壓0.4P a時(shí),I T O薄膜的可見光透射的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)沉積氣壓低于0.4P a時(shí)，靶材起輝效果很差以致薄膜難以生長。 因此從0.4P a開始，逐漸增加沉積氣壓，以探尋其對(duì)I T。薄膜光電性能的影響。首先,分析了沉積氣壓對(duì)薄膜電學(xué)性能的影響。圖3為濺射功率100W時(shí),I T O薄膜的電阻率、遷移率和載流子濃度隨沉積氣壓的變化情況。由圖 3可知,隨著沉 積氣壓的增加，I T。薄膜的電阻率逐漸增加，

11、遷移率稍有增加而后逐漸減小，載流子 濃度逐漸降低。在0.4P a時(shí),薄膜的電學(xué)性能最佳，附著性也很好。當(dāng)沉積氣壓超過 0.8P a時(shí)，電阻率迅速增加，薄膜的導(dǎo)電性較差。分析這是由于沉積氣壓較大時(shí)，由Ar+濺射出的靶原子飛向基底時(shí)遭到氧氣分子和等離子體散射的幾率變大，降低了 Sn4+與I n3+置換的反應(yīng)活性。此外，由于S n在I T O中存在S n。形式,100%氮?dú)夥?圍中部分S n。未被完全氧化為S n O2，導(dǎo)致薄膜中S n4+濃度降低，同時(shí)大量的位錯(cuò)和缺陷對(duì)載流子的散射和陷阱捕 獲作用增強(qiáng)，使載流子濃度降低，這也是導(dǎo)致薄膜電學(xué)性能較差的一個(gè)重要原因。3濺射功率100W時(shí),P I柔性襯底

12、上I T O薄膜T 二N1z2e48 兀(e 0 e r m*2v31 n 1 +4 兀 2( e 0 e r m*2v41(2其中，現(xiàn)為載流子平土自由時(shí)間，N1為電離雜質(zhì)的密度，z e為每個(gè)離子所 帶電荷,v為載流子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度,m*為電子的有效質(zhì)量,e0為真空介電常數(shù)，&r為相對(duì)介電常數(shù)。由于(2式中對(duì)數(shù)函數(shù)與其前面的因子相比變化比較慢，可近 似為常數(shù)，從而(2式可近似為：1 現(xiàn) P OON1m*2v3(3分析可知，載流子的散射幾率與雜質(zhì)密度成正比，與載流子熱運(yùn)動(dòng)速度成反比。在 0.8P a時(shí)具有稍大的遷移率，分析可能是因?yàn)榇藭r(shí)電離雜質(zhì)濃度較小，散射幾率變小，遷移率稍有增加。之

13、后隨沉積氣壓的增加遷移率減小可能是因?yàn)殡婋x雜質(zhì)的濃度增加，在導(dǎo)帶底形成了較多的散射中心所致。接下來研究了沉積氣壓的變化對(duì)ITO薄膜透射率的影響。圖4為濺射功率100W時(shí)，聚酰亞胺（P I 襯底上ITO薄膜的可見光透射率隨沉積氣壓的變化 情況。由圖4可知沉積氣壓對(duì)I TO薄膜的可見光透 射率影響較大，隨著沉積氣壓的增加，可見光透射率逐 漸降低。在400800n m可見光波段內(nèi),0.4P a時(shí)薄膜平均透射率為86%,而1.6P a時(shí)薄膜平均透射率為76%。在低于450n m的紫光區(qū)域，I T O薄膜的透射率 急劇降低，說明I T O薄膜對(duì)紫光具有較強(qiáng)的吸收作 用;在500n m附近區(qū)域,I T O

14、薄膜透射率很高，說明 I TO薄膜對(duì)綠光的透射效果較為明顯。濺射功率100W時(shí),P I柔性襯底上I T O薄膜*3N（九 2/3（4其中,N是導(dǎo)帶中載流子的濃度，m*是電子的有效質(zhì)量,h是普朗克常數(shù)。結(jié)合圖4可知，隨著沉積氣 壓的降低紫外吸收波長往短波方向移動(dòng)，載流子的濃度在逐漸增加。此外，I T。薄膜的導(dǎo)帶電子主要來源于氧空位和錫替代原子，而錫原子的引入加寬了帶隙，使薄膜的吸收邊向紫外方向偏移。根據(jù)透射譜，可推算出此時(shí)的禁帶寬度約為3.3e V,與玻璃襯底上制備的I T O薄膜相比（一般為3.54.3e V13要小，禁帶寬度稍小，出現(xiàn)吸收邊紅移現(xiàn)象，分析有兩種可能：一是在（400方向生長薄膜的帶隙較窄引發(fā)；二是P I基底對(duì)紫外光吸收所致。6 4坳 以 折 料62011年增刊IV （42卷3.3優(yōu)化生長條件下I T O薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為探求優(yōu)化生長條件下I T。薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)濺射功率為100W、沉積氣壓 為0.4P a時(shí)生長的樣品做了 X R D測試。圖5為優(yōu)化生長條件（100W、0.4P a時(shí)I T O薄膜的X R D圖譜。由圖5可以看出薄膜沿（222擇