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user: 3. 实验结果 样品制备过程中，通过对工艺参数(溅射功率、溅射时间、溅射压强、氧氩比、衬底温度、退火温度)的调节，研究各个参数对薄膜光电性能的影响。文中提到的方阻(电阻率与薄膜厚度之比，单位：KΩ/□)为薄膜多点方阻均值；膜厚(单位：nm)为台阶仪测得薄膜多点膜厚均值；平均透过率指波长范围390~780 nm光(可见光)通过薄膜的透过率均值。 3.1. AZO单层薄膜的光电性能 图1给出GDOES逐层剥蚀单层AZO薄膜(参数：功率160 W，时间20 min，压强0.5 Pa，纯氩气起辉)，得到其成分随剥蚀时间(深度)的变化。易看出，Zn元素信号强度保持稳定，直至Ca元素信号出现(剥蚀至玻璃衬底)。且观察到明显的Al信号，并与Zn元素信号变化保持一致。因此，实验证明制备的单层AZO薄膜有Al掺杂，且十分均匀。 3.1.1. 溅射功率的影响 图2给出了不同功率制备AZO薄膜的方阻、平均透过率膜厚和XRD图谱，AZO样品的制备参数为：衬底温度室温，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间5 min，溅射功率40/60/80/100/120/140/160 W。 图1. AZO单层薄膜结构(a)；GDOES测试单层AZO薄膜成分变化(b)；SEM测得AZO单层薄膜表面形貌(c) 图2. AZO薄膜方阻(a)；平均透过率(b)；膜厚(c)；XRD图谱(d)随溅射功率变化 溅射功率增加，轰击出靶材的粒子荷载能量增加，在衬底表面沉积时有足够能量进行扩散迁移，提高了薄膜的晶化程度，c轴择优取向逐渐增强。同时，被轰击出靶材的粒子增加，有更多粒子在衬底表面沉积，使得薄膜沉积速率提高厚度更大。功率增大，薄膜质量提升，方阻随之减小，由10 3 降至10 KΩ/□量级。平均透过率受到AZO薄膜质量和膜厚的共同作用，前者降低薄膜对光的散射作用，后者相反，溅射功率增加提升薄膜质量，同时膜厚也随之增加；低功率时，薄膜质量差，膜厚随功率提升增加，对光的散射作用加剧，薄膜平均透过率降幅明显；高功率时，薄膜的膜厚和质量都随着功率增加，二者共同作用使得平均透过率保持稳定。 3.1.2. 溅射时间的影响 图3给出了不同溅射时制备AZO薄膜的方阻、透过率和平均透过率，AZO薄膜制备参数：衬底温度为室温，溅射功率160 W，腔室压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间2/5/10/20/30/60 min。 溅射时间增加，AZO薄膜膜厚增加，薄膜结晶度提升，(002)的衍射峰越来越尖锐，择优取向更加明显。薄膜方阻随着溅射时间增加大幅降低。溅射时间增加，蓝端光透过率明显提升，薄膜禁带宽度得到一定改善；溅射时间很长时，透过率随时间明显下降。 3.1.3. 氧氩比的影响 图4给出氧氩比例为0:10 (纯氩气)/0.5:10/1:10/2:10/5:10制备AZO薄膜的方阻、平均透过率和XRD图谱，AZO薄膜制备参数:衬底温度室温，溅射功率160 W，溅射压强0.5 Pa，溅射时间20 min，氧氩混气流量30 sccm。 图3. AZO薄膜方阻(a)；透过率(b)；平均透过率(c)；膜厚(d)；XRD图谱(e)随溅射时间变化 与纯氩气氛围溅射相比，氧气的加入减少了薄膜中的氧空位缺陷，弱化了AZO薄膜c轴择优取向，劣化AZO薄膜的电学性能。同时，氧气的加入使得AZO沉积速率降低，膜厚变薄，AZO薄膜光学透过性因此有所提升。 3.1.4. 衬底温度的影响 图5给出不同衬底温度制备AZO薄膜方阻、平均透过率和XRD图谱，AZO薄膜制备参数：溅射功率160 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间20 min，衬底温度室温/200℃/300℃/400℃。 衬底温度是溅射制膜的重要工艺参数，适当衬底温度(300℃)提高AZO薄膜的结晶质量，减少缺陷和应力，可以提高透过率和降低薄膜方阻值；但衬底温度过高时(400℃)，AZO薄膜中出现(100)和(110)衍射峰，c轴择优取向减弱，劣化了薄膜质量 [ 14 ] ，降低薄膜光电性能。 图4. AZO薄膜方阻(a)；平均透过率(b)；膜厚(c)；XRD图谱(d)随氧氩比变化 图5. AZO薄膜方阻(a)；平均透过率(b)；XRD图谱(c)随衬底温度变化 3.1.5. 退火温度的影响 图6给出不同退火温度处理后AZO薄膜方阻、平均透过率和XRD图谱，AZO薄膜制备参数：溅射功率160 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间2/5/10/20/60 min；退火条件：真空度10 −3 Pa氛围，退火温度0 (未退火)/200℃/300℃/400℃/500℃退火1小时。 退火可以对AZO薄膜中过饱和氧去吸附，提升薄膜的晶化质量。合理退火温度大大降低薄膜的方阻值，同时提高AZO薄膜透过率。退火温度过高，劣化薄膜质量；AZO薄膜的合理退火温度为400℃。 3.2. AZO/Cu/AZO复合层薄膜光电性能 金属中间层电学性能优良，且随着膜厚增加方阻继续减小，但透过率呈相反趋势随着膜厚增加而减小，当膜厚大于20 nm，透过率大幅下降 [ 15 ] 。因此，保证优良电学性能同时最大程度的提升光透过性是制备AZO/Cu/AZO复合层薄膜的目标。 3.2.1. 不同厚度Cu层的AZO/Cu/AZO复合层薄膜 图7为Cu中间层较厚的AZO/Cu/AZO复合层薄膜的结构、膜层成分、方阻和透过率，样品制备参数：AZO层：溅射功率160 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射总时间20 min (上、下层各10 min)；Cu中间层：溅射功率100 W/50 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm。退火条件：10 −3 Pa氛围下400℃退火1 h。薄膜被GDOES逐层剥蚀，得到薄膜从表面到深处依次是上层AZO，Cu中间层和下层AZO。对比AZO/Cu/AZO复合层薄膜和溅射时间20 min单层AZO薄膜(退火前方阻49 KΩ/□，平均 图6. 退火温度对AZO薄膜方阻((a)， (b))；溅射时间10 min。AZO平均透过率(c)和溅射时间10 min。AZO的XRD图谱(d)的影响 图7. AZO-Cu-AZO复合层薄膜结构(a)；GDOES测得薄膜(Cu：100 W，30 s)成分变化(b)；SEM测得复合层薄膜表面形貌(c)；溅射功率100 W (d)；50 W (e)复合层薄膜方阻随Cu溅射时间变化；退火前(f)后(g)复合层薄膜透过率随Cu层制备参数变化 透过率85.9%；退火后方阻8 × 10 −2 KΩ/□，平均透过率为86.41%)光电性能。Cu层参数100 W，120 s复合层薄膜方阻低至5 × 10 −4 KΩ/□，但平均透过率仅为0.45%几乎不透光。引入较厚Cu中间层时，电学性能得到极大提升，获得较低方阻是复合层薄膜的优势，但较厚的Cu中间层同时也增强了复合层薄膜对光的散射作用，使得透过率大幅降低，Cu层越厚这种作用越明显。 图8为溅射功率和溅射时间都较小的Cu层膜厚、透过率和平均透过率，样品制备参数为：溅射功率20 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间2/5/10/20/30/40/50/60/80/100 s。由图可知，Cu层透过率随着膜厚增加急剧下降；超过40 nm后，Cu层平均透过率很快由高于80%降至20%以下。因此，为了制备光学性能优良的AZO/Cu/AZO复合层薄膜，控制Cu层厚度是至关重要的。 图9为Cu中间层较薄的AZO/Cu/AZO复合层薄膜方阻、透过率与单层AZO薄膜(二者AZO层溅射总时间一致)的比较，样品制备参数：AZO层：溅射功率160 W，溅射腔室压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射总时间5/10/20/30 min；Cu中间层：溅射功率20 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间0 (无Cu层)/2/5/10/20/30/40/50/60/70/80/90/100 s。图中Cu层溅射时间0 s表示为单层AZO薄膜，易看出引入Cu中间层后，不同AZO层的复合层薄膜方阻相比于单层AZO都有一定程度的降低；Cu层很薄时，复合层薄膜方阻与AZO层厚度相关并随之增加而减小；Cu层达到一定厚度后，复合层薄膜方阻与AZO层基本无关只与Cu层厚度有关，方阻随着Cu层溅射时间增加进一步减小。Cu层溅射时间增加，透过率快速下降，这在AZO总溅射时间20/10 min的复合层表现的较为明显。而AZO总溅射时间5 min的复合层在Cu中间层溅射时间达到40 s时仍具有较高的透过率。随着AZO层总溅射时间的减小，平均透过率曲线整体呈上升趋势；AZO总溅射时间5 min复合层在Cu溅射时间40 s时，仍具有很高的平均透过率，高达85%。 图8. Cu层膜厚与溅射时间关系(a)；Cu层透过率与膜厚关系(b)；Cu层平均透过率与膜厚关系(c) 图9. 复合层薄膜方阻随Cu层溅射时间变化((a)， (b))、平均透过率随Cu层溅射时间变化(c) AZO/Cu/AZO复合层薄膜电学性能优良，调节AZO层和Cu层厚度可使得光透过性也满足透明导电薄膜的要求。且不同于AZO薄膜有低温衬底制备方阻大缺点 [ 13 ] ，衬底室温时无需经过退火处理就可以制备平均透过率85%、方阻低至65 Ω/□ AZO/Cu/AZO复合层薄膜。 3.2.2. 退火对AZO/Cu/AZO复合薄膜影响 图10为GDOES测得AZO/Cu/AZO复合薄膜退火前后膜层成分，样品制备参数：AZO层：溅射功率160 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射总时间20 min (上、下层各10 min)；Cu中间层：溅射功率100 W，溅射压强0.5Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间30 s。退火条件：10 −3 Pa氛围下400℃退火1 h。易看出，退火后Cu层信号强度减弱，AZO层中出现Cu信号。退火过程中复合层薄膜发生了层间扩散，这破坏了复合层薄膜结构。 图11为AZO/Cu/AZO复合薄膜退火前后方阻和平均透过率。样品制备参数：AZO层：溅射功率160 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射总时间5/10/20 min；Cu中间层：溅射功率20 W，溅射压强0.5 Pa，氩气流量30 sccm，溅射时间0/2/5/10s。退火条件：10 −3 Pa氛围下400℃退火1 h。未退火前，引入Cu层后复合层薄膜方阻大幅下降；退火后，复合层方阻与单层AZO类似，方阻大幅下降，但复合层薄膜比单层AZO薄膜方阻稍高。退火后复合层薄膜平均透过率未有所增长，反而有了不同程度的下降。这是因为退火后AZO层与Cu层发生层间扩散，破坏了复合层薄膜的结构，劣化了复合层薄膜的光电性能。