專利名稱：一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法
技術領域：
本發明屬于半導體材料制備技術領域，具體為一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法。
背景技術：
透明導電氧化物(TCO)薄膜以其優異的導電性、可見光范圍內的高透射率和對紅外線的高反射率等特性，廣泛應用在平板顯示器、光伏電池、觸摸屏、建筑物玻璃、以及防靜電、防微波輻射等領域，特別是近年來平板顯示器(FPD)和光伏電池的發展，對TCO薄膜的市場需求量大大增加。摻錫的氧化銦(ITO) —直是商業上應用得最多的透明導電材料，但金屬銦的儲量有限，不能滿足日益擴大的市場需求，因此探索ITO薄膜的替代材料成為今后透明導電薄膜研究的趨勢。目前，人們正在通過各種方法包括工藝技術、選擇不同的基質材料(如Ιη203、ZnO、SnO2等)、摻雜不同元素(如高價態金屬元素)、多層膜結構和多組分等致力于改善和優化TCO薄膜的性能，以適應和開發新的應用領域。ZnO基透明導電薄膜是近幾年發展比較快的透明導電薄膜，如摻鋁氧化鋅(AZO)，不僅具有較高的可見光透過率和良好的導電性，而且材料來源豐富、價格便宜，在太陽能電池、液晶顯示、防靜電等領域中具有廣闊的應用前景，但離大規模工業應用仍有差距。對氧化鋅進行鈦摻雜研究較少，本發明提出采用電子束蒸發法制備摻鈦氧化鋅透明導電薄膜，具有簡單易操作的優點，且其制備薄膜過程中具有電子束能量高、蒸發速率快等特點，對于氧化物薄膜的制備，直接從陶瓷靶材上蒸發在襯底上成膜，是一種低成本、高效率沉積氧化物薄膜的方法和生產工藝。
發明內容
本發明的目的在于提出一種簡單易行、成本低、效率高的制備摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的方法，具體步驟為:采用純度為99.99%以上的ZnO和TiO2粉末為原料，經過人工研磨或機械球磨4小時以上,使顆粒粒徑在300 500 nm范圍之間,且混合均勻,將混合粉末裝入粉末壓片機料槽內，在30 50 MPa的壓力下保持I 3分鐘，制成直徑和厚度分別為1.4 cm和2.1 _的圓柱狀靶材坯料，將靶材坯料放入剛玉坩堝中蓋好后置于單晶爐中燒結，控制溫度為800°C 1200°C燒結8 12小時即得到摻鈦氧化鋅陶瓷靶材，將燒制好的摻鈦氧化鋅靶材放入電子束蒸發鍍膜設備的銅坩堝或碳坩堝內，抽真空至IXlO-4Pa以下，以普通玻璃為基板，進行電子束蒸發鍍膜，電子束蒸發高壓為6 kV或8kV檔位，掃描電流X為0.6 mA, Y為O mA,掃描波動范圍為正負0.05 mA,控制電子束流為20 mA 250 mA,蒸發為時間5 45分鐘，即得到摻鈦氧化鋅透明導電薄膜。本發明的優點是: 所制備的靶材由于體積小，燒結過程中受熱均勻，易得到晶相純凈的靶材，同時易于覆蓋電子束蒸發鍍膜設備的坩堝底部，不致于被電子束擊穿，適用于對靶材形狀沒有固定要求的真空鍍膜系統使用。
使用單晶爐進行一次多批量的靶材燒結，且無需二次燒結，即得結晶優良的靶材。
電子束蒸發鍍膜時本底壓強為I X 10_4Pa。
電子束蒸發鍍膜時，蒸鍍條件為:蒸鍍高壓為6 kV或8kV檔位，電子束流為20mA 250 mA,蒸鍛時間5 45分鐘。
所制備薄膜的透明性和導電性，可通過控制電子束流、基板溫度以及蒸鍍時間來調節。
具體實施方式
下面通過具體實施例進一步描述本發明: 實施例1，將純度為99.99%以上的ZnO和TiO2混合粉末經過人工研磨或機械球磨4小時以上，使顆粒粒徑達到300 500 nm范圍，且均勻混合，將混合粉末裝入粉末壓片機料槽內，在40 MPa的壓力下保持3分鐘，制成直徑和厚度分別為1.4 cm和2.1mm的圓柱狀靶材坯料，將靶材坯料放入剛玉坩堝中蓋好后置于單晶爐中，控制溫度為800°C燒結12小時即得到摻鈦氧化鋅陶瓷靶，靶材直徑為1.3 cm，厚度為2 mm。采用普通載玻片為基片，先后經過純水、酒精和丙酮超聲波各15分鐘清洗。將燒制好的摻鈦氧化鋅靶材放入電子束蒸發鍍膜設備的銅坩堝內，以充滿坩堝的三分之二為宜，然后抽真空至5 X 10 ,在不通入任何反應氣體的條件下，進行電子束蒸發鍍膜，電子束蒸發高壓為6 kV檔位，掃描電流X為0.6mA，Y為O mA，掃描波動范圍為正負0.05 mA，控制電子束流為20 mA，蒸發為時間5分鐘，SP得到摻鈦氧化鋅透明導電薄膜。
實施例2，將純度為99.99%以上的ZnO和TiO2混合粉末經過人工研磨或機械球磨4小時以上，使顆粒粒徑達到300 500 nm范圍，且均勻混合，將混合粉末裝入粉末壓片機料槽內，在40 MPa的壓力下保持3分鐘，制成直徑和厚度分別為1.4 cm和2.1mm的圓柱狀靶材坯料，將靶材坯料放入剛玉坩堝中蓋好后置于單晶爐中，控制溫度為1150°C燒結12小時即得到摻鈦氧化鋅陶瓷靶，靶材直徑為1.3 cm，厚度為2 mm。采用普通載玻片為基片，先后經過純水、酒精和丙酮超聲波各15分鐘清洗。將燒制好的摻鈦氧化鋅靶材放入電子束蒸發鍍膜設備的銅坩堝內，以充滿坩堝的三分之二為宜，然后抽真空至5 X IO-5Pa,通入氧氣為工作氣體，調節工作壓強為0.5 1.5 Pa，進行電子束蒸發鍍膜，電子束蒸發高壓為6 kV檔位，掃描電流X為0.6 mA，Y為O mA，掃描波動范圍為正負0.05 mA，控制電子束流為50 mA,蒸發為時間15分鐘，即得到摻鈦氧化鋅透明導電薄膜。
實施例3，將純度為99.99%以上的ZnO和TiO2混合粉末經過人工研磨或機械球磨4小時以上，使顆粒粒徑達到300 500 nm范圍，且均勻混合，將混合粉末裝入粉末壓片機料槽內，在40 MPa的壓力下保持3分鐘，制成直徑和厚度分別為1.4 cm和2.1mm的圓柱狀靶材坯料，將靶材坯料放入剛玉坩堝中蓋好后置于單晶爐中，控制溫度為1200°C燒結12小時即得到摻鈦氧化鋅陶瓷靶，靶材直徑為1.3 cm，厚度為2 mm。采用普通載玻片為基片，先后經過純水、酒精和丙酮超聲波各15分鐘清洗。將燒制好的摻鈦氧化鋅靶材放入電子束蒸發鍍膜設備的銅坩堝內，以充滿坩堝的三分之二為宜，然后抽真空至5 X IO-5Pa,通入氧氣為工作氣體，調節工作壓強為0.5 1.5 Pa，進行電子束蒸發鍍膜，電子束蒸發高壓為8 kV檔位，掃描電流X為0.6 mA，Y為O mA，掃描波動范圍為正負0.05 mA，控制電子束流為250mA，蒸發為時間45分鐘，即得到摻鈦氧化鋅透明導電薄膜。
權利要求
1.一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為:采用ZnO和TiO2為原料，經過人工研磨或機械球磨4小時以上，使之混合均勻，將混合粉末裝入壓片機在30 50 MPa的壓力下保持I 3分鐘，制成直徑和厚度分別為1.4 cm和2.1 mm的圓柱狀靶材坯料，將靶材坯料放入剛玉坩堝中蓋好后置于單晶爐中，控制溫度為800°C 1200°C燒結8 12小時即得到摻鈦氧化鋅陶瓷靶材；將燒制好的靶材放入電子束蒸發鍍膜設備的銅坩堝或碳坩堝內，抽真空至IXlO-4Pa以下，進行電子束蒸發鍍膜，控制電子束流為20 mA 250 mA，蒸發時間為5 45分鐘，即得到摻鈦氧化鋅透明導電薄膜。
2.根據權利要求1所述的一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法，其特征是:ZnO和TiO2的純度在99.99%以上，經研磨后顆粒粒徑為300 500 nm ；ZnO和TiO2粉末可以是市售也可以是水熱法合成。
3.根據權利要求1所述的一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法，其特征是:將混合粉末裝入粉末壓片機制成圓柱狀靶材坯料，其直徑和厚度分別為1.4 cm和2.1 mm，燒結制成陶瓷靶后直徑和厚度略小，分別為1.3 cm和2 mm。
4.根據權利要求1所述的一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法，其特征是:在單晶爐中燒結，溫度為1150°C，時間為12小時，升溫速率為5°C/min，待燒結完成后，自然降溫至80°C以下取出。
5.根據權利要求 1所述的一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法，其特征是:薄膜的簡單快速制備，由電子束蒸發鍍膜設備制得，將燒制好的摻鈦氧化鋅靶材放入電子束蒸發鍍膜設備的銅坩堝或碳坩堝內，以充滿坩堝的三分之二為宜，本底真空抽至IX 10_4 Pa以下進行薄膜沉積。
6.根據權利要求1所述的一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法，其特征是:薄膜的厚度可以通過控制電子束流大小和沉積時間進行調節。
7.根據權利要求1所述的一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法，其特征是:基板為普通玻璃載玻片，所制備的摻鈦氧化鋅透明導電薄膜，通過調節制備參數可使透射率達到80%以上。
全文摘要
本發明屬于透明導電薄膜技術領域，具體為一種摻鈦氧化鋅透明導電薄膜的制備方法。本發明首先以ZnO和TiO2粉末為原料，經過人工研磨或機械球磨混合均勻，將混合粉末裝入粉末壓片機，制成圓柱狀靶材坯料，將靶材坯料放入剛玉坩堝中蓋好后置于單晶爐中，在溫度為800oC～1200oC之間燒結8～12小時即得到摻鈦氧化鋅陶瓷靶材，將燒制好的摻鈦氧化鋅靶材放入電子束蒸發鍍膜設備的坩堝內，抽至本底真空，進行電子束蒸發鍍膜，控制電子束流和沉積時間即得到摻鈦氧化鋅透明導電薄膜。本發明方法具有操作簡單易控、時間短、沉積速率高等特點，在太陽電池及透明電子器件領域具有較好的應用前景。
文檔編號C23C14/08GK103173726SQ20131008132
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者黃延偉 申請人:杭州電子科技大學