InZnO薄膜透明导电的制备及其柔性的表征

李 娜，张 琼，卢 婧，马栋宇，代松霖

(东北师范大学，吉林长春 130024)

透明导电氧化物(TCO)薄膜兼具高导电性和高透明性而被广泛地应用到各种光电器件中，其中就包括太阳能电池［1-2］，薄膜晶体管［3］，平板显示器［4］，和紫外发光二极管［5］。目前对TCO 薄膜的研究越来越受到人们的关注，例如，多晶的In2O3∶Sn，ZnO∶Al，ZnO∶Ga 和非晶的 InZnO(α-IZO)，InGaZnO.虽然铟-基的氧化物是一种价格相对较高的材料，但是它们非晶态的薄膜具有独特的优势，如高的迁移率，好的柔性，大面积内的高均匀性，和低的制备温度。对于非晶IZO薄膜，这些独特的性能源于它们非晶的结构和独特的电子结构。非晶IZO薄膜的导带底主要是由各向同性，空间扩展的 In 5s-和 Zn 4s-轨道组成［6］。相邻金属的ns-轨道直接交叠组成导电通路，这些通路对化学键的扭曲并不敏感［7］。因此，即使在非晶态，IZO薄膜仍然保持高迁移率，并适用于柔性器件。通过改变IZO薄膜在氧气中的生长压强来优化电学性质，然后通过弯折测试研究非晶IZO薄膜的柔性。

1 实 验

采用脉冲激光沉积(PLD)技术将IZO薄膜生长在透明的塑料衬底上。Nd∶YAG(yttrium aluminum garnet)脉冲激光(355 nm，5 ns，10 Hz)被用来烧蚀In2Zn2O5(纯度99.99%)陶瓷靶。背底真空低于8×10-5Pa后，将纯氧气通入腔室。氧气压强在0.1 Pa-5Pa之间调节。生长温度为室温，生长时间为1 h，薄膜厚度在200 nm左右。

2 结果分析

为了确定薄膜的晶体特性，利用X-射线衍射(XRD)对于薄膜进行了表征。图1给出了在不同氧气压强下生长的IZO薄膜和塑料衬底的XRD图谱。在图1谱中可以清晰的看到三个衍射峰，对比塑料衬底的XRD图谱，发现这些衍射峰都是来自于衬底，而没有观察到明显的IZO薄膜自身的特征峰。这说明生长的IZO薄膜是非晶结构的。而这种非晶结构使得IZO薄膜在电学，光学，力学(柔性)等方面都具有良好的表现。下面将从这几个方面来研究IZO薄膜的性质。

图1 不同氧气压强下生长的IZO薄膜及塑料衬底的XRD图谱

图2给出了不同氧气压强下IZO薄膜的电学性质。随着生长压强的降低薄膜的面电阻降低了四个数量级。这是因为氧气压强的降低，使薄膜中产生了大量的氧空位(或替位金属)作为施主，增加了薄膜中的自由载流子(电子)浓度，从而降低了面电阻，实现了对电学性质的调控。最低的面电阻出现在0.1 Pa，大小为46 Ω/sq，与商业的ITO相当(10-100 Ω/sq)。

图2 IZO薄膜的面电阻随生长压强的变化

为了研究导电IZO薄膜的光学性质，如图3对0.1 Pa的样品进行了透过率的测试。在紫外区(～300 nm)的吸收是因为价带的电子受到了紫外光的激发跃迁到了导带而引起的透过率的截止，反映了材料宽禁带(～3 eV)半导体的特性。在近红外区(～1 000 nm)透过率的降低与导带中电子的振动有关。载流子浓度越高，振动越剧烈，透过率的降低也就越明显。

图3 在0.1Pa氧气强下生长的IZO薄膜的透过率图谱

图3中近红外区透过率的明显降低表明0.1 Pa的样品具有较高的载流子浓度，这与在图2中对电学性质的分析一致。在可见光范围内(300～1000nm)透过率的波动是由入射光与样品表面的反射光进行干涉所引起的。并且在可见光范围内的平均透过率大于85%，这足以满足应用的需求。图3的插图中给出了相应实物样品的照片。从照片中可以看出，所制备的样品具有一定的柔性，并且可以弯折。为了研究弯折对于样品电学性质的影响，进行了柔性测试。

图4 (a)是柔性测试的实物照片;(b)是相应的内弯折测试的示意图;(c)和(d)分别是内弯折和外弯折的测试结果

图4(a)给出了柔性测试的实物照片，图4(b)是内弯折的示意图。将0.1 Pa的样品置于两块金属之间，固定其中一块金属，移动另一块金属来实现对于样品的弯折。通过测量样品的原长(弧长)和弯折后两块金属之间的距离(弦长)，进而计算出弯折半径。从图4(c)中可以看出，内弯折测试中随着弯折半径的减小面电阻几乎没有发生变化，直到弯折半径小于9 mm，面电阻才出现明显的增加。而根据文献报道，内弯折半径小于10 mm的TCO薄膜就足以满足太阳能电池对于柔性透明电极的需求［8］。因此所制备的样品具有广泛的实际应用价值。此外还对样品进行了外弯折测试，发现弯折半径小于15 mm之后，面电阻也开始显著的增加。为了探究弯折是如何降低薄膜的电学性质，对弯折前后的0.1 Pa样品进行了扫描电子显微(SEM)测试。

图5(a)-(b)给出了弯折前不同标尺下的SEM照片。可以看出样品表面平整光滑，在较大视野范围内均匀一致，这有利于载流子的传输，从而获得良好的导电性能。但是弯折后的样品表面却出现了明显的裂纹。这些裂纹阻断了载流子的输运，降低了样品的电学性能。由此可以看出，过度的弯折会使样品表面发生断裂，增加面电阻值。并且相比于内弯折，外弯折更易引起样品的断裂。

图5 (a)和(b)是弯折前不同标尺下的SEM图;(c)是弯折后的SEM图

图6 (a)以IZO薄膜为透明“导线”设计的电路图的实物照片;(b)将IZO薄膜弯曲后的电路图实物照片

为了更加直观的了解柔性IZO薄膜的透明导电性能，设计了如图6(a)所示的简单电路。将电池，LED灯，和IZO薄膜串联成一个闭合电路。IZO薄膜在这个电路中被用作“导线”。接通电路后，可以看到LED灯发出了明亮的白光，说明IZO薄膜在电路中起到了良好的导电作用。并且在照片中也可以看出IZO薄膜具有良好的透明性。然后将薄膜弯折一定角度，看到LED灯依然明亮。说明所制备的IZO薄膜具有良好的柔性。至此，成功地获得了柔性透明导电的IZO薄膜。

3 结 论

采用激光脉冲沉积(PLD)技术在室温条件下得到生长在塑料衬底上的IZO薄膜。通过改变生长压强有效地控制了薄膜的电学性能。并对薄膜的透过率进行了测试及分析。同时对薄膜进行了柔性测试，发现过度的弯折会引起薄膜的断裂，降低电学性能。最后设计了一个简单地电路图，直观地展示了透明导电IZO薄膜的柔性。相信这种柔性透明IZO电极必将在日后的各种微电子器件当中发挥越来越重要的作用。

［1］Lee，J.et al.A facile solution-phase approach to transparent and conducting ITO nanocrystal assemblies.［J］Journal of the American Chemical Society，2012:13410-13414.

［2］王志军，李守春，王连元，等.硅太阳能电池特性的实验研究［J］.大学物理实验，2013(6):45-48.

［3］Nomura，K.et al.Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor.［J］Science，2003:1269-1272.

［4］Zhang，M.Y.，Nian，Q.＆ Cheng，G.J.Room temperature deposition of alumina-doped zinc oxide on flexible substrates by direct pulsed laser recrystallization［J］.Applied Physics Letters，2012:482-485.

［5］Xu，H.Y.et al.F-doping effects on electrical and optical properties of ZnO nanocrystalline films.［J］Applied Physics Letters，2005:256-259.

［6］Gadre，M.J.＆ Alford，T.L.Highest transmittance and high-mobility amorphous indium gallium zinc oxide films on flexible substrate by room-temperature deposition and post-deposition anneals.［J］Applied Physics Letters，2011:99-101.

［7］Martins，R.，Barquinha，P.，Pimentel，A.，Pereira，L.＆Fortunato，E.Transport in high mobility amorphous wide band gap indium zinc oxide films.［J］physica status solidi，2005:95-97.

［8］Lee，H M.，Kang，S.B.，Chung，K B.＆ Kim，H K.Transparent and flexible amorphous In-Si-O films for flexible organic solar cells.［J］.Applied Physics Letters，2013:96-103.