一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法及鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜技術

本發明專利技術公開了一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法及鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜，該制備方法包括1)以氬氣為等離子體氣源，氧氣為反應氣體，采用遠源等離子體濺射技術在襯底上濺射沉積薄膜得半成品；濺射靶材中Nb的原子數為Nb、Ti原子總數的2％～8％；氧氣的體積流量為氬氣體積流量的5％～20％，等離子體發射源功率為1100～2000W，靶材加速偏壓功率為1300～1510W；2)將所得半成品進行晶化退火處理。所得透明導電膜致密均勻，平均可見光透過率高，電阻率低，具有良好的化學穩定性、機械強度和光電性能；本發明專利技術的制備方法濺射速度快，溫度低，可重復性好，耗能低，具有廣闊的市場前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于透明導電氧化物薄膜
，具體涉及一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，同時還涉及一種上述制備方法所得的鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜。
技術介紹
透明導電氧化物(transparent conductive oxide，簡稱TCO)是一種重要的半導體功能材料，作為光電器件的透明電極，廣泛應用于太陽能電池、觸摸屏與平板顯示、發光器件和智能窗等領域。近年來，半導體制造產業發展迅猛，新興電子產品層出不窮，透明導電氧化物電極的市場需求也迅速膨脹。同時，電子產業的多樣化也對透明導電氧化物電極提出了新的要求。目前，市場上主流的透明導電氧化物材料是氧化銦錫，即錫摻雜三氧化二銦(ITO)。ITO電阻率可達10-4Ω·cm量級，透光性能優異，目前占據了超過85％的市場份額。但在實際應用中，ITO主要成分銦資源匱乏，若以現有消耗速度，全球銦資源將在短時間內消耗殆盡，ITO已不能滿足日益增長的市場需求，因此尋找資源豐富，性能優異的新型透明導電氧化物電極材料迫在眉睫。目前研究應用較多的新型氧化物體系是基于TiO2、ZnO和SnO2的一元或多元氧化物體系。ZnO體系對酸堿的耐受力低，在CO2環境中易被腐蝕，大大影響器件性能和壽命。SnO2系統的摻雜元素F及Sb等有毒。相較而言，Ti資源在三者中最為豐富，成本低，且摻雜的TiO2基透明導電薄膜表現出優異的光電性能，被廣泛應用于發光二極管、平板顯示、太陽能電池器件等領域。目前，研究最多，性能較好的TiO2基透明導電薄膜摻雜劑是Nb如CN103325913A公開的發光二極管中復合透明導電層用到高價金屬原子(Nb)摻雜的氧化鈦層；CN102239564A公開的一種包括至少一個薄膜太陽能電池和導電透明氧化物層的太陽能電池器件中，所述導電透明氧化物層可為Nb-TiO2；CN101036200B公開的透明導體由金屬氧化物構成，所述金屬氧化物為具有銳鈦礦型結晶結構的Nb:TiO2。其理論透光率和電阻率可與ITO媲美，可應用于目前ITO適用的大部分領域，成本更低，同時也克服了ITO環境及化學穩定性低、易破碎等缺點，具有更廣闊的應用前景。在實際生產應用中，材料的開發潛力還與制備方法密切相關。簡單、易控、高效、低能耗的制備方法是材料市場化的關鍵一環。美國PPG公司在CN102858706B中公開了采用化學氣相沉積(CVD)法制備Nb摻雜二氧化鈦(Nb:TiOx，x為1.8～2.1)導電膜，具體
是使用鈮前體乙醇鈮和鈦前體四異丙醇鈦涂覆加熱的平坦玻璃板。該方法工作溫度高，能耗高，薄膜與襯底結合力低，且反應過程涉及多種高活性有機/無機氣體源，不易控制，易產生環境有害中間物質，需增加尾氣處理環節，使生產成本增加。CN102181825B公開了一種籽晶層輔助的高性能TiO2基透明導電薄膜，在籽晶層上利用該籽晶層誘導生長摻雜TiO2覆蓋層，覆蓋層中摻雜元素總量為Ti元素的0.25mol％～20mol％，摻雜元素包括Nb。該技術方案優選薄膜透光率和電阻率均可達應用要求，但由于此方法必須采用溶膠-凝膠法制備籽晶層，導致厚度不宜控制，薄膜總厚度過大(800nm～1.8μm)，且薄膜致密度低，與襯底的界面質量差，不滿足光電器件對TCO電極質量的要求。CN102931285A公開了一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，是先制備TiO2與Nb2O5共摻的氧化物陶瓷靶材，再采用磁控濺射法制備鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜。該方法采用氧化物陶瓷靶，生產效率低，且需要在550-650℃的濺射溫度鍍膜，增加對襯底的耐高溫的要求，不適用于普通玻璃襯底，且沉積效率低，其需要在高真空下退火也大大限制了該方法的進一步應用。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，獲得具有優越的光電性能的透明導電膜，同時生產效率高，生產成本低，能耗低。本專利技術的第二個目的是提供一種上述制備方法所得的鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜。為了實現以上目的，本專利技術所采用的技術方案是：一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，包括以下步驟：1)以氬氣為等離子體氣源，以氧氣為反應氣體，采用遠源等離子體濺射技術在襯底上濺射沉積薄膜，得半成品；所用濺射靶材中，Nb的原子數為Nb、Ti原子總數的2％～8％；濺射過程中，氧氣的體積流量為氬氣體積流量的5％～20％，等離子體發射源功率為1100～2000W，靶材加速偏壓功率為1300～1510W；2)將步驟1)所得半成品在280～400℃條件下進行晶化退火處理，即得。遠源等離子體濺射技術(HiTUS)是一種高靶材利用率的濺射技術，它是通過靶材遠處產生的高密度等離子體完成濺射的。現有技術中，與之相對應的遠源等離子體濺射系統在其真空室(濺射腔室)側壁固定有等離子體發射系統(The Plasma Launch System，PLS)，即石英玻璃管外纏繞有射頻線圈天線；等離子體由此產生并經PLS出口處的發射電磁圈放大，并由聚束電磁線圈完成等離子體方向的聚焦與控制。通過對每一個電磁線圈電流進行精密控制，可以對等離子體束進行導向，這樣能夠覆蓋靶材的全部表面。這種條件下，靶材表面氬離子處于低能(30～50eV)高密度(離子數1012～1014/cm3)狀態。因此靶材得
到了均勻的刻蝕，與常規的磁控濺射相比大大減輕了靶中毒的現象，同時也大大提高了濺射沉積薄膜的沉積速率。等離子體束打在靶材上轟擊出的粒子并不能直接濺射到有一定距離的襯底上，而是停留懸浮在靶材表面附近，需要給這些帶電離子施加一個合適的加速電壓，讓它們飛向襯底表面。步驟1)中所述濺射可以是反應濺射，是指在濺射過程中不斷通入氧氣作為反應氣體，和濺射出的靶材粒子在空中結合并發生反應，在給靶材底部提供的加速偏壓的作用下，以反應產物的形式飛向襯底并粘附在襯底表面上，沉積形成一層致密的納米薄膜。本專利技術的鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，利用射頻等離子發射系統產生高密度低能量等離子體，并利用濺射功率控制當量靶材偏壓，以加速等離子體中的重離子，實現高效濺射。所述襯底為透明材料襯底。優選的，步驟1)所述襯底為玻璃襯底或石英襯底。所述襯底使用前經過清洗；將清洗后的襯底固定在遠源等離子體濺射系統的濺射腔體內，準備進行濺射。濺射之前，將濺射腔體內抽真空真空度低于1×10-3Pa。然后向腔室內通入一定流量的氬氣，待腔室內的壓強保持穩定后，調節射頻等離子體源(PLS)的功率，以產生低能量高密度等離子體(<50eV)。所用的氬氣為純度不低于99.999％的高純氣體。所述射頻等離子體源的每單位源截面(1cm2)5～50W。所用濺射靶材為鈮鈦合金、鈮鈦金屬組合靶或鈮鈦金屬氧化物混合靶。所述鈮鈦金屬組合靶為鈦金屬靶與鈮金屬靶的組合，由相對金屬靶的有效面積的比例調節薄膜金屬元素相對含量。步驟1)的濺射過程中，濺射腔體內的壓力為0.35～0.4Pa。等離子體穩定后，調節靶材直流功率，以大幅度增加等離子體濺射源中氬離子的能量；向腔室內通入氧氣，待靶材電流和氣壓均穩定后，開始濺射沉積薄膜。其中，調節靶材功率使當量靶材偏壓為-200～-1000V。所用氧氣為純度>99.99％的高純氣體。濺射過程中，薄膜沉積速率為12～250nm/min，沉積時間為2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：1)以氬氣為等離子體氣源，以氧氣為反應氣體，采用遠源等離子體濺射技術在襯底上濺射沉積薄膜，得半成品；所用濺射靶材中，Nb的原子數為Nb、Ti原子總數的2％～8％；濺射過程中，氧氣的體積流量為氬氣體積流量的5％～20％，等離子體發射源功率為1100～2000W，靶材加速偏壓功率為1300～1510W；2)將步驟1)所得半成品在280～400℃條件下進行晶化退火處理，即得。

【技術特征摘要】
1.一種鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：1)以氬氣為等離子體氣源，以氧氣為反應氣體，采用遠源等離子體濺射技術在襯底上濺射沉積薄膜，得半成品；所用濺射靶材中，Nb的原子數為Nb、Ti原子總數的2％～8％；濺射過程中，氧氣的體積流量為氬氣體積流量的5％～20％，等離子體發射源功率為1100～2000W，靶材加速偏壓功率為1300～1510W；2)將步驟1)所得半成品在280～400℃條件下進行晶化退火處理，即得。2.根據權利要求1所述的鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，其特征在于：步驟1)所述襯底為玻璃襯底或石英襯底。3.根據權利要求2所述的鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，其特征在于：所用濺射靶材為鈮鈦合金、鈮鈦金屬組合靶或鈮鈦金屬氧化物混合靶。4.根據權利要求1所述的鈮摻雜二氧化鈦透明導電膜的制備方法，其特征在于：濺射之...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邵國勝，胡俊華，陸柳，宋安剛，郭美瀾，付振亞，
申請(專利權)人：鄭州大學，
類型：發明
國別省市：河南;41