金电极的制备和特性研究

赵小静,丁文玉,王海英

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.鹤壁市机电信息工程学校,河南鹤壁458000）

半导体薄膜电极因为透光性高、电阻率小等优点,在平面显示器、太阳能电池、红外反射膜以及光波选择器等领域得到了广泛的应用[1-3].目前薄膜材料常用的有In2O3：Sn（ITO）、ZnO：Al等,但这些都属于半导体材料,导电性相对金属较差,主要通过对高纯半导体材料进行掺杂来实现导电功能,制备工艺复杂、制备过程污染严重、载流子浓度不容易控制.同时,半导体材料属于负温度系数材料,它的导电性随着温度的降低而变差,会导致半导体材料的薄膜电极在低温测试系统和严寒地区的应用受到限制.为了寻找理想的材料,导电聚合物[4]、碳纳米管薄膜[5]、金属纳米线[6]和金属薄膜[7]等材料都被用作薄膜电极使用.

功函数为5.3 eV的金作为金属材料用来制备薄膜电极,不仅具有优良的导电性,而且具有较高的可见光透光性.在高温下金的稳定性非常好,不容易被氧化,大大拓宽了金薄膜的应用领域.同时,金属于正温度系数的材料,导电性随着温度的降低变得更好,这使金薄膜电极在低温物性测量系统和严寒地区显示出氧化物薄膜电极无可比拟的特性.本文采用离子溅射法制备金薄膜电极,通过改变薄膜的厚度,研究金薄膜的形貌和光谱性能.

1 试验方法

试验中所用薄膜采用离子溅射方法制备.镀膜前将载玻片分别用丙酮、乙醇在超声波振清洗器中清洗 10 min,Ⅲ号清洗液 V（H2O2）∶V（H2SO4）=1∶3 加热煮沸 10 min,清洗过的基片放置在培养皿中自然晾干.采用JGP560型磁控离子溅射仪镀膜,之后将部分样品放置在小型高真空退火炉中抽至背底真空10-2Pa左右,加热至150℃进行退火处理.制备的薄膜厚度采用DEKtak150台阶仪进行膜厚测量；采用Keithley 2400型万用表进行电学特性测量；用UV3600型分光光度计对薄膜的光学性能进行分析.

2 结果与讨论

图1为退火前不同厚度金薄膜样品的透过率曲线.

图1 退火前金薄膜的透射光谱Fig.1 The transmissivity of Au film dependence of wave length before annealed in the vacuum furnace

由图1可知,当波长大于300 nm后,薄膜的透射率明显增大,在可见光区,金薄膜的透过率受厚度影响大,随着厚度的增加,透过率明显减小.薄膜在厚度为10 nm和20 nm的透过率高.在红外区,透过率均在65%以上,当厚度大于20 nm时,薄膜的透过率变化不大,说明厚度不再是影响透过率的主要因素.

图2为退火后不同厚度的薄膜的透射光谱.

从图2中可以看出,退火后5种样品的透射率比退火前的透射率大幅提高,在可见光区,厚度为10 nm和20 nm的透过率高达60%以上,透光性好.

图3、图4为退火前后金薄膜的线电阻率随厚度变化的曲线.

图3 退火前金薄膜的线电阻率随薄膜厚度变化曲线Fig.3 The line resistivity of Au dependence of thickness before annealed

图4 退火后金薄膜的线电阻率随薄膜厚度变化曲线Fig.4 The line resistivity of Au dependence of thickness after annealed

对比图3、图4可知,退火前后,金薄膜的线电阻率都非常低,导电性好.从图中还可看出,随着薄膜厚度的增加,线电阻率先急剧降低然后增加,当厚度超过20 nm后,电阻率变化很小.在20 nm时,电阻率有一个最小值.薄膜厚度为10 nm左右时,电阻率非常大.原因分析：当薄膜比较薄时,金纳米颗粒主要呈岛状分布,颗粒分布不够均匀,退火前金纳米颗粒形状不规则,杂乱无章,部分颗粒相互间接触,形成了导电通路.另一部分颗粒间距离较近,根据量子力学中的遂穿效应和尖端放电效应[8],当外界有偏压时,形成了遂穿电流,使薄膜具有导电性.由于相互接触的颗粒少,所以电流较小,线电阻率比较大.退火后,金纳米颗粒变成规则的球形[9],排列整齐,颗粒相互间距离变大,不再出现遂穿效应和尖端放电效应,所以,退火后薄膜的线电阻率趋于无穷大.当薄膜厚度增加时,金纳米颗粒数量增多,粒子间距离减小,能够相互接触形成电流,线电阻率随之减小.随着厚度的增加,粒子间数量的增加,粒子间接触紧密,电阻率也越来越小,当薄膜厚度增加到一定值时,电阻率趋于平稳.

综上所述,比较金薄膜的光学性能和电学性能,当薄膜厚度为20 nm左右时,透光性好,线电阻率低,比较适合作透明薄膜电极.

3 小结

本文采用离子溅射法制备金薄膜,研究了不同厚度的薄膜的光学和电学性能,得出金薄膜在厚度为20 nm时,性能最优越.与传统的半导体透明电极相比,金薄膜的透光性好,导电性优良,尤其在低温环境里,金薄膜的电阻率低,工作性能稳定.同时,相对于PLD,磁控溅射和热蒸发制备薄膜电极,耗时短,工艺简单.

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