旋涂次数对NiO薄膜结构和光透过性能的影响

王玉新， 刘 奇， 臧谷丹， 崔潇文

(辽宁师范大学 物理与电子技术学院， 辽宁 大连 116029)

旋涂次数对NiO薄膜结构和光透过性能的影响

王玉新， 刘 奇， 臧谷丹， 崔潇文

(辽宁师范大学 物理与电子技术学院， 辽宁 大连 116029)

以乙酸镍为前驱体溶液采用溶胶-凝胶旋涂法按不同旋涂次数(1～5次)在玻璃衬底上制备NiO薄膜.通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见分光光度计(UV-VIS)等表征手段对样品的晶格结构、表面形貌、透射光谱进行测试.结果表明旋涂次数的适当增加并不能使薄膜厚度明显增加而是有助于修复所制备薄膜的结晶质量；并且随着旋涂次数的增加晶粒尺寸变大使薄膜的晶界和缺陷增多，增强了薄膜的光散射性能降低了光透过性能.当旋涂次数为3次时，所制备的NiO薄膜的结晶质量较高、表面光滑致密并具有较好的光透过性能，在可见光范围内平均透过率达到80%以上.

溶胶-凝胶法；NiO薄膜；薄膜结构；表面形貌；光透过性能

NiO作为一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度在3.0～4.0 eV之间，除了具有稳定的化学性能，还具有优良的光学、电学、磁学性能，而且原料丰富、成本低廉、对环境无污染[1-10].其制备方法有多种且较为成熟，其中包括磁控溅射法[11]、原子层沉积法[12]、喷雾热解法[13]、金属有机化学气相沉积法[14]和溶胶-凝胶法[15]等，其中，溶胶-凝胶法具有操作简单、成本低廉的优点.近年来，由于NiO具有较低的电阻率及高空穴载流子浓度等显著特点，使其与n型ZnO相结合制备成异质结、太阳能电池、光电二极管、光电探测器等光电领域有极大的应用潜力[16].单福凯等人采用磁控溅射法在玻璃衬底上制备了NiO薄膜，并研究了不同衬底温度对其性能的影响，实验中薄膜沿着NiO(111)择优生长且晶格常数随着温度的升高而减小，薄膜透过率随着温度的升高而增大且在600 ℃时,在波长为630 nm处透过率为83%左右[17].关于详细研究工艺参数对制备NiO薄膜的光透过性能影响的相关文献较少[18].因此研究工艺参数对NiO薄膜光透过性能的影响具有重要意义.

笔者采用溶胶-凝胶旋涂法制备NiO薄膜，并用XRD、SEM、UV-VIS对其进行表征，进而探究其晶格结构、形貌特征及光透过特性随旋涂次数的变化情况，从而为以后提高p型NiO薄膜的光透过性能奠定基础.

1 实 验

实验中选用乙酸镍(Ni(CH3COO)2·4H2O)作为溶质，乙二醇甲醚(CH3OCH3CH2OH)作为溶剂，并添加乙醇胺(C2H7NO)作为稳定剂，配置成0.3 mol/L的乙酸镍溶胶用于制备NiO薄膜.

采用溶胶-凝胶旋涂法以不同旋涂次数(1～5次)在玻璃衬底上制备了NiO薄膜,分别标为样品a～e.先在100 ℃下低温预处理10 min,然后在500 ℃下高温热处理30 min，取下样品等待测试.

采用Rigaku D/max-rB Cu Kα型X射线衍射仪、SU8000扫描电子显微镜、UV3600紫外可见分光光度计和SGC-10薄膜厚度测试仪对所制备的样品进行结构、形貌、光透过性能、厚度测试.

2 结果与讨论

2.1 晶格结构分析

图1为不同旋涂次数下制备的NiO薄膜的XRD图.从图中可以看到5个样品都在43.811°左右出现NiO(200)衍射峰，随着旋涂次数的增加衍射峰的强度并没有明显的变化.5个样品的NiO(200)衍射峰半高宽分别为0.301°、0.268°、0.259°、0.320°、0.325°.随着旋涂次数的增加，NiO薄膜的(200)衍射峰的半高宽先减小后增大.样品c的半高宽最小其衍射峰较为尖锐，说明当旋涂次数为3次时所制备样品的结构性能较好.

图1 不同旋涂次数下样品的XRD图谱Fig.1 The XRD patterns of the NiO thin films with different number of layers

2.2 表面形貌分析

测试NiO薄膜表面形貌之前，先对薄膜厚度进行测试和分析.在5个样品表面选取相同位置的测试点进行测试如表1所示：

表1 不同样品的膜厚

从表1中可以看出，5个样品的平均薄膜厚度相差仅仅在3.0 nm左右.但是样品a、b、d和e在不同测试点的薄膜厚度相差的较大，说明不同的旋涂次数将会影响薄膜的均匀性，使薄膜厚度变得薄厚不均匀从而影响其光透过性能.因此，有必要进行更深入的讨论和分析，以表1的数据做出样品的不同选取点与薄膜厚度的关系图，如图2所示.

图2 样品的不同选取点与薄膜厚度的关系图Fig.2 The film thickness of the different select points of samples

从图2中可以看到5个样品在不同选取点处薄膜厚度的一个走向趋势：样品a的曲线变化最为明显，尤其在第2个选取点时薄膜厚度为151.8 nm，而第3个选取点处的薄膜厚度直接为145.8 nm，下降了6 nm，说明在所选取范围内薄膜的均匀性较差；样品b的曲线变化稍微有些缓和，但是第4个选取点处的薄膜厚度与第3个选取点和第5个选取点处的薄膜厚度变化也有些出入；样品c的曲线近似趋近于一条平行于横坐标的直线，表明每个测试点的薄膜厚度几乎相同，薄膜厚度变化不大，所以薄膜表面应较为光滑；样品d和样品e的曲线走势几乎相同，上下浮动不是特别大，薄膜厚度均匀程度均不如样品c.5个样品的厚度并没有随着旋涂次数的增加而增加，只是有微小改变.这是因为当第1次旋涂后进行低温预处理后，在进行下一次旋涂时，滴加在样品上的溶胶又将原本初步形成的薄膜进行溶解，在向心力的作用下将其多余的溶胶液滴再次脱离衬底表面，因此不同旋涂次数制备的薄膜厚度变化并不是很大.通过以上的分析讨论，选取样品a、b、c、d进行了SEM测试，结果如图3所示.

图3 不同旋涂次数下的NiO薄膜的SEM照片Fig.3 SEM images of the NiO thin films with different number of layers

图3中a～d为上述4个样品的SEM照片.在相同的放大倍数下，观察图a,虽然通过照片看到晶粒平铺在衬底表面，但是仔细观察后发现其大小不同，从SEM照片的左上方沿着对角线向右下方的角度观察，晶粒尺寸变得越来越大，颗粒小的位置较薄而随之变大后薄膜变厚，所以与其薄膜厚度的走势相吻合；图b中可以看出颗粒大小的均匀程度有所改善，但是透过缝隙可以清楚看到较大颗粒是由小颗粒叠加而成；图c中晶粒大小较为均匀且致密，说明其表面较为平滑、膜厚均匀性好；图d中颗粒间缝隙较多且出现团簇的现象，说明其表面光滑度较差，膜厚均匀性较差.由此可知，旋涂次数的适当增加有助于改善表面形貌，并不会使薄膜厚度大幅度增厚而是起到降低薄膜内部缺陷的作用.

2.3 透过率分析

图4是5个样品的透过图谱，由图可见样品a、b、c在可见光区的平均透过率都超过80%，而样品d和e 在可见光区的平均透过率只在70%以上，且旋涂次数越多， NiO薄膜的光透过性能越差.这是因为随着旋涂次数的增加，薄膜的晶粒尺寸也随之增大，因此薄膜中的晶界及缺陷不均匀处也随着增多从而增强了光的散射，降低了薄膜在可见光范围内的光透过率[19].

图4 不同旋涂次数下的NiO薄膜的紫外-可见透射光谱图Fig.4 The transmission spectra of the NiO thin films with different number of layers

3 结 论

采用溶胶-凝胶旋涂法在玻璃衬底上，制备出了具有较好光透过性能的NiO薄膜.研究了不同旋涂次数对NiO薄膜的结构、表面形貌及光透过性能的影响.结果表明，旋涂次数对NiO薄膜有重要影响.当旋涂次数为3次时制备的NiO薄膜沿NiO(200)择优生长，表面形貌更加光滑致密，结晶质量最好，光透过性能较佳.

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Effectofspin-coatingtimesonstructureandUV-VIStransmissionpropertiesofNiOthinfilms

WANGYuxin,LIUQi,ZANGGudan,CUIXiaowen

(School of Physics and Electronic Technology, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

NiO thin films using nickel acetate as a precursor solution were successfully prepared on glass substrate by sol-gel spin-coating method with different spin-coating times (1～5 times).The lattice structure, surface appearance and transmission spectra of the samples were investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and ultraviolet visible spectrophotometer (UV-VIS).The results show that the more spin-coating times cannot make the film thickness increase obviously, but it may be helpful to repair the crystalline quality of the prepared films.At the same time, the bigger grain size may result in the increase of grain boundary and defect, which enhance the performance of light scattering and reduce the optical transmission.The sample prepared after three times spin-coating owns the optimum crystalline quality, the more dense surface morphology and the higher transmittance.The average transmittance in the visible light range is about 80%.

sol-gel method;NiO thin films;surface morphology;optical transmission

O484.4

:A

2017-03-21

辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2015292)

王玉新(1974- )，女，辽宁辽阳人，辽宁师范大学副教授，博士.E-mail:yuxinwang178@sina.com

1000-1735(2017)03-0313-05

10.11679/lsxblk2017030313