薄膜中ZnO/Ag的相对厚度对电学性能的影响

周枫

（信义节能玻璃（芜湖）有限公司 芜湖 241000）

0 引言

镀膜玻璃是在玻璃表面镀制一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜，以改变玻璃的光学性能，满足某种特定要求，而低辐射镀膜玻璃是镀膜玻璃中的一种。低辐射镀膜玻璃是对4.5～25 mm红外线有较高反射比的镀膜玻璃，其极大地降低了玻璃表面的辐射率，玻璃辐射率从0.84降低至0.15以下［1］。随着人们节能减排意识的增强，市场对低辐射镀膜玻璃的要求也随之增高，人们不再单纯地关注玻璃的外观颜色，而更多的开始关注玻璃的性能。而性能的提升和银层的生长息息相关。

由于银与其他材料之间的键能很低，因此银层想要达到膜厚一致，在沉积过程就需要经历很多中间的、不连续的阶段。在开始的时候银以核结构的形式存在，这时红外线反射率很低，并且红外线反射率并不随着银层的有效厚度提高而增长。随着银层厚度的持续增加，结构由核结构逐渐生长为岛状结构，然后形成通道、空洞，最后形成连续的薄膜（图1）。人们将当“通道”形成的这个点称为“渗透极限”。而使用氧化锌等材料可以适当地将银层的渗透极限减低，这已经被镀膜玻璃生产企业所认可，这也是生产企业进行膜层设计时需要考虑的［2］。

图1 薄膜生长过程

如果银层生长的不够光滑，表现为结构上具有缺陷和表面粗糙，膜层中点电子将会发生散射，对金属层的电阻率、迁移率及其他数据带来明显的影响，从而影响到银层反射红外线的能力。因此，通过霍尔效应测试仪对样品进行测量，通过对测量数据的分析，则可以判断银层的生长质量。

1 实验

1.1 薄膜制备

在玻璃上直接镀ZnO/Ag会使银层裸露在空气中，存放过程中会导致膜层氧化，影响测得数据的准确性，因此，想要分析ZnO和Ag的相对厚度对电学性能的影响，必须将ZnO/Ag放在其他结构之中，且其他材料的厚度固定，在变化ZnO和Ag的相对厚度时，保证其他材料对整体的电学性质的变化无较大影响。

采用磁控溅射的方法在玻璃基底上依次镀制SiNx薄膜、ZnO薄膜、Ag薄膜、NiCr薄膜及SiNx薄膜，腔室的本底真空度为6×10-4Pa，工作气压保持在（2～6）×10-1Pa范围内。将SiNx薄膜和NiCr薄膜的厚度固定，单独变化ZnO薄膜和Ag薄膜，ZnO薄膜的变化范围为2～12 nm，2 nm为间隔；Ag薄膜的变化范围为4～12 nm，同样以2 nm为间隔，共制作30个样品。沉积参数如表1所示。

表1 薄膜沉积参数

1.2 性能测试

采用林赛斯HCS1型霍尔效应测试仪对薄膜进行电学性质的测试。测试温度为24～26 ℃，电流为10 mA，磁感应强度为0～0.63 T。

2 结果与讨论

将测试结果分别以ZnO和Ag为基准对电阻率和迁移率数据进行分析。

电阻率是反映导体导电性能的物理量。电阻率小，导体的导电性能就越好。迁移率则是表征单位磁场强度下电子平均漂移的速度，也可理解为是用于衡量电荷载体在物质内的移动是否顺畅。载流子浓度直接决定着半导体材料的导电能力，在这里使用这个参数旨在分析银层的导电能力，并观察条件不同是否对银层的导电能力有影响。

虽然电阻率和体载流子浓度均可以反应导体材料导电能力的好坏，但从物理定义上讲，电阻率是受体载流子浓度和迁移率的影响。

2.1 以ZnO层厚度为分析基准

以ZnO层厚度为基准，分析ZnO在相同厚度的情况下，随着Ag层厚度的增加，膜层电阻率、迁移率和体载流子浓度的变化。如图2～图4所示。

图2 ZnO为基准的电阻率

图4 ZnO为基准的体载流子浓度

通过对图2和图3的分析，当ZnO膜为2 nm时，其ZnO膜自身呈现核状或岛状，并不连续，这时的ZnO膜不能起到帮助Ag膜生长的作用，因此开始时Ag膜的生长也并不连续，电阻率和迁移率主要依靠Ag膜本身。而随着Ag膜厚度的持续增加，Ag膜通过自身的生长逐渐成为连续的薄膜，电阻率和迁移率也趋于稳定。当ZnO膜的厚度达到4 nm时，ZnO膜已经可以帮助Ag膜生长，且同时满足ZnO膜的厚度为4 nm，Ag膜的厚度为10 nm时，膜层的电阻率和迁移率为最优。

图3 ZnO为基准的迁移率

通过对图4的分析，当ZnO膜为2 nm时，Ag膜在8 nm之前成膜状态不好，在8 nm之后，已经形成连续薄膜。当ZnO膜厚度大于4 nm时，对Ag膜的生长已经起到了帮助作用，并且可以看出随着ZnO膜厚度的增大，Ag膜厚度不同，对体载流子浓度的影响并不大。

结合图3和图4的数据，从图4体载流子浓度数据看出，当Ag膜在8 nm时已经形成了连续薄膜，再结合图3观察8 nm时不同ZnO膜厚度时各膜层迁移率数据，当ZnO膜为2 nm时，对比ZnO膜为4 nm及以上时，在同样Ag膜形成连续薄膜的情况下，其迁移率明显更低，说明ZnO的存在可以使膜层中电荷流动更加顺畅，从而判断其可以帮助Ag膜更好的生长，减少Ag生长中产生的缺陷。

2.2 以Ag层厚度为分析基准

以Ag层厚度为基准，分析Ag在相同厚度的情况下，随着ZnO层厚度的增加，膜层电阻率、迁移率和体载流子浓度的变化。如图5～图7所示。

通过对图5和图6的分析，随着Ag膜厚度的增加，电阻率和迁移率均在降低，当达到10 nm时为最低点，随之数据略有上升。说明当Ag膜厚度为10 nm左右时，Ag膜的导电性能最好，这时Ag膜的缺陷最少。

图5 Ag为基准的电阻率

图6 Ag为基准的迁移率

通过对图7的分析，无论ZnO膜厚度为多少，随着Ag膜厚度的逐渐增大，其体载流子浓度也逐渐增加，膜层的导电能力也逐渐增强。

图7 Ag为基准的体载流子浓度

3 结论

通过采用磁控溅射的方法在玻璃基板上镀制复合膜，在复合膜中固定其他材料的膜厚单独研究ZnO薄膜和Ag薄膜相对厚度对电学性能的影响。在富氧状态下生成的ZnO膜，当ZnO膜厚度为4 nm及以上，并作为Ag膜的种子层时，可以使Ag膜生长尽早成连续薄膜，并减少生长中产生的缺陷。当Ag膜厚度为10 nm左右时，Ag膜的导电性能最好，这时Ag膜的缺陷最少。同时满足ZnO膜厚为4 nm，Ag膜厚为10 nm时，膜层的电学数据呈现最优。