FTO上溅射ITO薄膜及光电性能

李 亚 玮, 胡 志 强, 徐 书 林

( 大连工业大学 新能源材料研究所, 辽宁 大连 116034 )

FTO上溅射ITO薄膜及光电性能

李 亚 玮, 胡 志 强, 徐 书 林

( 大连工业大学 新能源材料研究所, 辽宁 大连 116034 )

通过脉冲磁控溅射法在掺氟氧化锡透明导电薄膜(FTO)基底上制备了氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜。研究了溅射时间和衬底温度对FTO基底上制备的ITO薄膜的光透过率和电性能的影响。采用SZT-2四探针测试仪测量样品表面的电阻，用扫描电镜(SEM)对样品进行表征。结果表明，随着溅射时间的增加以及衬底温度的升高，以FTO导电薄膜为基底制备的氧化铟锡(ITO)透明导电膜的电阻逐渐减小，而后基本保持不变。在基片温度为400 ℃、溅射时间为45 min时，方块电阻最小值达到1.5 Ω。

脉冲磁控溅射；透明导电薄膜；氧化铟锡薄膜

0 引 言

近年来，随着科技的发展，导电薄膜制备的质量越来越高，其中铟锡氧化物(ITO)薄膜可见光透射率高达90%，对红外光有较强的反射系数和低电阻率，并且与玻璃有较强的附着力以及良好的耐磨性和化学稳定性，广泛应用于各种平板显示器、有机发光二极管(OLED)，触摸屏面板，汽车挡风玻璃、太阳能电池、红外辐射反射镜涂层、电磁干扰屏蔽以及大型建筑用低辐射率幕墙玻璃等领域[1]。

ITO薄膜基底一般多为玻璃、陶瓷、单晶材料等[2],近年来，国内外学者对各种基底上制备ITO薄膜进行了很多研究，也取得了一定的成果,但是由于在普通玻璃上溅射得到的ITO薄膜的电阻耐热性较差，高温电阻不稳定。为了解决这一问题，有学者提出利用FTO 薄膜的耐热性制备出FTO/ITO复合薄膜，制备的FTO/ITO复合薄膜既具有FTO薄膜的耐热性，同时又具备了ITO薄膜的低电阻特性。

本研究通过总结前人相关研究的基础上，创新采用FTO导电薄膜玻璃为基底，通过脉冲磁控溅射法制备了ITO薄膜并对其光电性能进行了研究。

1 实 验

将市售FTO玻璃基底清洗后装入溅射室内，采用JCP-200型高真空磁控溅射蒸发镀膜机溅射制备ITO薄膜。溅射选用的ITO陶瓷靶材(北京泛德辰科技有限公司)参数为：In3O2与SnO2的质量比为90∶10，纯度为99.99%。

薄膜的表征：采用日本理学D/max-3B型X射线衍射(XRD)仪测定薄膜的晶体结构；通过JSM-6460LV型扫描电镜观察ITO薄膜的表面形貌；用SX1934型数字式四探针测试仪测定薄膜的方块电阻；用UV-Vis分光光度计Lambda35型(美国Perkin-Elmer公司)测定薄膜在300～1 200 nm 的透射率。

2 结果与讨论

2.1 薄膜晶体结构和形貌

图1所示为在溅射功率45 W，溅射气压为1.0 Pa，溅射时间为15 min时，不同溅射温度下制备ITO薄膜的XRD图谱。由图谱可以看出，在不同温度下FTO基底结晶体的(110)、(101)、(200)、(211)晶面衍射峰明显，随着溅射温度的升高衍射峰的强度逐渐降低。这主要是由于随着基底温度升高，溅射的ITO膜层的结晶度变好，从而导致不同程度地掩盖了基底结晶体的衍射峰。但是由于FTO的晶体结构在400 ℃时会更加趋于完整[2]，因而在400 ℃时基底结晶体的衍射峰依然很强。同时对比标准谱图可以看出，在2θ为30.698°、35.597°的特征衍射峰分别对应着(222)、(400)晶面，但其他晶面的衍射峰并未检测到，这可能是由于溅射的ITO的结晶体并未完全晶化导致的。同时由图1可以看出，随着溅射温度的升高(222)、(400)晶面的衍射峰逐渐增强，其中(222)晶面的衍射峰要明显强于(400)晶面的衍射峰，这说明溅射的ITO薄膜沿(222)择优取向生长，并且这种择优取向随着温度的升高而加强，这是由于在基底温度升高的同时会增加膜层原子的能量[3]，从而使得粒子有足够的能量进行运动，而沿(222)晶面择优取向，因而当基底的温度不足以使粒子具有足够的能量运动时，粒子趋向于随机生长[4]。

图1 不同基片温度制备ITO薄膜的XRD图谱

2.2 薄膜表面形貌

图2为在一定的溅射功率、气压、时间条件下，溅射温度逐渐增加时ITO薄膜以及基底FTO薄膜的SEM图。可以看出表面溅射的ITO薄膜已经完全覆盖在基底FTO薄膜上，并随着温度的升高，薄膜表面颗粒尺寸逐渐增大并趋于均匀，晶粒间连接更紧密，晶界也逐渐减少，薄膜表面更加平整。这是由于温度的升高，一方面提高了衬底原子的迁移扩散能力[5]，另一方面FTO基底表面吸附的气体逸出而增加ITO薄膜粒子与粒子间以及粒子与基底间的结合力，这两方面共同作用使薄膜表面晶粒生长的更完整。

(a) 25 ℃

(b) 100 ℃

(c) 400 ℃

(d) FTO

图2 不同溅射温度ITO薄膜及FTO基底的SEM

Fig.2 SEM images of ITO thin films at different substrate temperatures and FTO

2.3 薄膜电性能

2.3.1 基底温度对薄膜方块电阻的影响

表1为在功率、气压以及溅射时间一定情况下电阻随温度的变化情况。可以看出随着基底温度的升高，电阻逐渐降低。由薄膜的XRD图谱和SEM图可以看出，随着基底温度的升高，薄膜表面晶体的结晶度增强，缺陷减少，晶粒尺寸也增大，因而基底温度的升高有利于减弱因晶体自身质量及缺陷对载流子的散射及陷获作用，从而提高了载流子的迁移率[6]。另一方面，随着基底温度的升高，大量的Sn2+氧化为Sn4+并替换薄膜中的In3+，使载流子浓度增加[7]，因而基底温度升高薄膜电阻降低。但基底温度过高会使大量的氧离子束缚在附近晶格缺陷处，形成了电中性复合离子，而使掺杂失去作用[8]，这就可以解释在达到一定温度以后薄膜电阻值降低的比较缓慢甚至有上升趋势的原因。同时与普通玻璃上溅射得到的ITO薄膜相比阻值有很大程度的降低，这可能是ITO薄膜粒子在FTO基底上更容易成核生长导致的[9]。

表1 不同基底温度下的方块电阻

2.3.2 溅射时间对薄膜方块电阻的影响

表2为一定功率、气压以及温度条件下方块电阻随溅射时间的变化情况。可以看出随着溅射时间的增大，薄膜的方块电阻逐渐减小，最小方块电阻值达到1.5 Ω。这相比较于有关文献在有机玻璃上制备的ITO薄膜电阻22 Ω[10]、石英基底电阻13.3 Ω、PET基底电阻15 Ω[11]等有很大程度的降低。随着溅射时间的增加，薄膜的厚度逐渐增加，同时越来越多的Sn4+掺杂到In2O3结构中，提高了载流子的浓度[12]。溅射一定时间后，掺杂的Sn4+浓度趋于饱和，导致电阻下降缓慢，溅射35 min后方块电阻变化不明显。

表2 不同溅射时间下的方块电阻

2.4 薄膜光学性能

图3表示在溅射功率、气压以及时间一定情况下，测试得到的薄膜可见光透过滤随基底温度的变化情况。可以看出，不同温度下薄膜在400 nm 以下的紫光区域的透射率都很低，这说明ITO旳带隙宽度对应波长紫外区，紫外线因带间吸收而被强烈衰减，吸收率达85%[13]。随着温度的升高，薄膜的透过率增大，这是由于低温下制备的ITO薄膜晶粒生长的完整性较差，增加了晶界散射作用，使薄膜的透过率较低，随着温度的升高，晶粒生长更均匀完整而提高薄膜的致密性，使薄膜厚度减小，从而薄膜的透射率增加[14]。鉴于本实验制备的是一种复合薄膜，薄膜厚度要比单一的ITO薄膜大，所以导致透过率与普通玻璃相比较有所降低，但在可见光区的平均透过率最高可达到70%。从图中还可以看出，随着温度的升高，薄膜吸收截止边出现蓝移现象，薄膜的禁带宽度变宽。结合图3可知，随着温度的升高，薄膜的结晶度变好，使得薄膜中载流子的浓度提高，发生了Burstein移动[15]，由于Burstein移动对带隙的影响总是占主导地位的，所以光学带隙会随着载流子浓度的增加而显著变宽[16]。这一分析结果与前面方块电阻随温度的变化结果一致。

图3 不同基底温度下的薄膜紫外可见光透过率

2.5 薄膜耐热性能

为了考察FTO基底制备的ITO薄膜的耐热性是否有所改善，在普通玻璃基底上相同工艺溅射了ITO薄膜。将ITO薄膜及FTO/ITO复合薄膜在500 ℃空气气氛下进行1～5次1 h的热处理，方块电阻的变化如图4所示。

图4 热处理次数对ITO及FTO/ITO薄膜电阻的影响

Fig.4 The sheet resistance of ITO and FTO/ITO double-layered thin films at different annealing times

普通玻璃上制备的ITO电阻在处理3次以后急剧升高，说明ITO薄膜的耐热性差，而FTO/ITO复合薄膜的电阻随着热处理次数的增加变化不大，并且方块电阻也较普通玻璃上溅射得到的ITO薄膜低。由此可以知，实验制备的FTO/ITO复合薄膜既具有FTO薄膜的耐热性，同时又具备ITO薄膜的低电阻特性。

3 结 论

以FTO为衬底制备的ITO薄膜的电阻随温度的升高逐渐降低，同时电阻也随着溅射时间的延长逐渐降低，在功率45 W、气压1.0 Pa、基底温度400 ℃、溅射时间45 min时，得到了最低方块电阻约为1.5 Ω。

普通玻璃上溅射的ITO薄膜随着热处理次数的增加，电阻变化明显，而FTO上溅射得到的ITO薄膜电阻随着热处理次数的增加方阻变化较小，FTO/ITO复合薄膜可以有效地改善ITO的耐热性能。

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Preparation of ITO thin film deposited on FTO substrate and its photoelectric properties

LI Yawei, HU Zhiqiang, XU Shulin

( Institute of New Energy Material, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

Transparent conductive indium tin oxide (ITO) films were prepared on the fluorine-doped tin oxide (FTO) film substrate by pulsed magnetron sputtering method. The effect of the sputtering time and the substrate temperature on the photoelectrical property of ITO film were investigated. The crystal structure and the surface shape of the film were analyzed by scanning electron microscope (SEM), and the resistance was measured by four probe. The results showed that the resistance of ITO film decreased gradually to the unchanged with increasing sputtering time and substrate temperature. Four probe measurement showed the lowest sheet resistance at 1.5 Ω for film on the FTO substrate when the substrate temperature was at 400 ℃ and the sputtering time was for 45 min.

pulsed magnetron sputter; transparent conductive oxide; ITO films

2015-10-24.

李亚玮(1990-)，女，硕士研究生；通信作者：胡志强(1956-)，男，教授.

TB321

A

1674-1404(2017)04-0279-04

李亚玮,胡志强,徐书林. FTO上溅射ITO薄膜及光电性能[J].大连工业大学学报,2017,36(4):279-282.

LI Yawei, HU Zhiqiang, XU Shulin. Preparation of ITO thin film deposited on FTO substrate and its photoelectric properties[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(4): 279-282.