氧化铟锡薄膜的功函数优化技术
张博1,张智博2,郭新涛1,杨亚楠2,刘滢1,杨磊3,朱嘉琦2
(1. 中国航空制造技术研究所 材料研究部,北京100024;
2. 哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨150080;3. 哈尔滨工业大学 分析测试中心,哈尔滨150080)
创新点说明:
1.通过等离子轰击技术辅助磁控溅射制备了高功函数的In2O3:Sn薄膜,实现了室温下透明导电薄膜的简易制备。
2.分析了In2O3:Sn薄膜功函数的变化机制。测试结果表明,In2O3:Sn薄膜功函数的增加是由于低氧化态Sn2+向高氧化态Sn4+转变,在高轰击能的作用下,表面结合Sn-O键增多提高了In2O3:Sn薄膜的功函数。
研究目的:
In2O3:Sn薄膜作为一种透明导电材料,有着广阔的发展前景。但是未经处理的In2O3:Sn薄膜具有较低的功函数,在应用中受到了很大的限制。此外,In2O3:Sn功函数的变化机理还存在诸多争议。为了解决In2O3:Sn薄膜功函数低的问题,本文使用无老化效应的等离子体轰击辅助磁控溅射的方法,改进In2O3:Sn薄膜功函数,进一步阐明In2O3:Sn薄膜功函数的变化机制。
研究方法:
采用等离子体轰击辅助磁控溅射制备优先取向的In2O3:Sn薄膜来提升功函数,实现了室温下透明导电薄膜的简易制备。此外,我们利用X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS)和紫外荧光光谱法(UPS)等测试手段,通过改变Ar+等离子体轰击的沉积条件,阐明In2O3:Sn薄膜功函数的变化机制。
研究结果:
1) In2O3:Sn薄膜的XRD图显示,负偏压较低时(|Vp|<|-500 V|),In2O3:Sn薄膜的晶体结构为非晶态。当|-500 V|<|Vp|<|-700 V|时,带正电的氩离子受到负偏压的作用加速对薄膜表面进行撞击,动能转化成部分内能和表面原子运动的能量,从而加速了表面原子迁移率,使得In2O3:Sn表面晶化,显现(222)晶面。
2)In2O3:Sn薄膜XPS测试结果显示,随着负偏压的增大,ISn2+/ISn4+的比例从1.75逐渐降到0.35。与此同时,Sn4+峰的半高宽也发生了相应的变窄,从~1.2减少到~1.0左右。这也可以证明,等离子体轰击过程有助于低价的Sn2+向高价Sn4+的转变。
3)从不同负偏压下制备In2O3薄膜的UPS光谱可以看出,随着负偏压的增加,虽然In2O3:Sn薄膜氧空位的含量有所减少,但是并不会降低In2O3:Sn薄膜中载流子浓度。最大功函数WF=5.1 eV在(EF-EVBM)=2.69时产生。
结论:通过等离子轰击技术辅助磁控溅射制备了高功函数的In2O3:Sn薄膜。In2O3:Sn薄膜的功函数受到直流脉冲电压施加的Ar+等离子体轰击的显著影响。具有|Vp|=|-500V|的In2O3:Sn薄膜,增强的吸附原子迁移率消除了缺陷,改善了表面微晶的形成。低价态Sn2+的氧化态逐渐向高价态Sn4+的氧化态转变,引起In2O3:Sn表面的氧增多,提高了In2O3:Sn薄膜的功函数。
关键词:功函数,氧化铟锡,低温结晶,等离子体轰击纳米片;锂离子电池;比容量;液氮
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