Ag ullmhú sprioc sputter Al-doped ZnO ag brú te

- Dec 14, 2018-

Ag ullmhú sprioc sputter Al-doped ZnO ag brú te


1. Réamhrá


Tá a fhios go maith go bhfuil tarchuradhas ard sa scannán tanaí le scannán tanaí ZnO (AZO) alúmanaim, agus is féidir frithsheasmhacht íseal agus a bhearna banna optúla a rialú ag ábhar Al. iarratais ionchasacha ag scannáin AZO i gcealla gréine, cótaí frithstatacha, feistí taispeántais solais-stáit, cótaí optúla, téitheoirí, scriosairí, etc. Ag comparáid le ocsaíd indiam, tá an leas a bhaint as ZnO go bhfuil amhábhar níos saoire agus neamh-tocsaineach. Go háirithe, tá scannán AZO níos cobhsaí. Dá bhrí sin, tá AZO ar cheann de na hionadaithe is fearr de ITO ag baint úsáide as scannán seoltánach trédhearcach (TCO).


Is féidir cúpla modhanna a thaisceadh le scannán AZO. I láthair na huaire, baineadh úsáid as forleathan maighnéadán mar gheall ar a ráta taisithe ard agus greamaitheacht maith idir scannán agus foshraith. Baineadh úsáid as spriocanna miotalach chun scannán AZO a thaisceadh. Ach fuarthas amach go raibh an saolré teoranta toisc go raibh ciseal ocsaíd déanta go minic ar dhromchla an sprioc. Mar sin, baineadh úsáid as spriocanna ceirmeacha.


Is cineál ábhar leathsheoltóra n-dhopáilte go mór é AZO. Maidir le sprioc ceirmeach AZO, tá dlús, struchtúr céim, méid pore agus a dháileadh, méid gráin agus frithsheasmhacht ina n-airíonna bunúsacha. Le déanaí, rinne go leor taighdeoirí imscrúdú ar ullmhú sprioc sputter AZO le ard-dlús ard agus frithsheasmhacht íseal. Ach níor mhór aird a thabhairt ar athrú struchtúir agus ar éabhlóid pore le linn an shintéiriú. Chomh maith leis sin, nuair a rinneadh an próiseas sioncróthaithe san atmaisféar, is é an teocht sinsearachta an bealach chun ard-dlús a bhaint amach, ach ag an am céanna méadaítear ábhar an dara céim ZnAl 2 O 4 , rud a fhágann go bhfuil droch-mhaoin leictreachais ag an sprioc AZO. Féadfaidh teocht shintéirithe ard níos mó féidearthachtaí a thabhairt d'fhás gráin neamhghnácha. Tá dhá shraith ag ardú brú ard agus sol-ghlóthach chun ard-dlús a bhaint amach. Ar an drochuair, tá siad ró-chostasach le tionsclaíocht. Go hiondúil, is bealach measartha é an brú te trína bhféadfar an sprioc a dhlúsú faoi bhrú agus teocht measartha. Ina theannta sin, is cineál próiseas dlúis tapa é agus tharlaíonn an fás gráin an-beagán.


Dá bhrí sin, sa obair atá ann faoi láthair, déantar an sprioc AZO a dhéanamh trí mhodh teoite. Déantar dlús coibhneasta, forbairt pore, moirfeolaíocht briste, athrú struchtúir céim agus frithsheasmhacht a fhiosrú chun próisis ullmhúcháin sprioc AZO a léiriú.



2. Turgnamhach


Baineadh úsáid as ocsaíd since tráchtála (meánmhéid cáithníní de thart ar 600 nm) agus alúmana (meánmhéid cáithníní de thart ar 100 nm) púdair. Bhí meascán seafta dúbailte, púdair ZnO agus Al 2 O 3 i gcóimheas mais 98: 2, measctha liathróid le haghaidh 32 h i mballainn le liathróidí agáit.


Doirteadh an púdar measctha i múnla grafít. Cuireadh an múnla i bhfoirne meaisín brú te . Faoi bhrú agus teocht áirithe ar feadh tréimhse a chaomhnú, bhí dlúthdhioscaí AZO le cosaint gáis argáin.


Thomhas an dlús le modh Archimedes. Breathnaíodh an mhoirfeolaíocht briste trí úsáid a bhaint as micreascóp leictreon scanadh (JSM-6510, leictreonaic an tSeapáin). Rinneadh anailís ar mhéid an phósta agus dá dháileadh trí úsáid a bhaint as péarosiméadar iontrála mearcair (Auto Pore IV 9510, Micromeritics Instrument, Inc.). Rinneadh anailís ar an struchtúr céim ag baint úsáide as difraiméadar ghathais X le foinse monachromataithe Cu Kα X-gha (D / max 2500, Leictreonaic an tSeapáin). Tomhas an frithsheasmhacht trí thomhas ceithre phointe (SDY4, Institiúid Ábhair leathsheoltóra Guangzhou).



3 Torthaí agus plé


3.1 Éifeachtaí na gcoinníollacha brúite te ar dhlús choibhneasta sprioc AZO

Is é dlús teoiriciúil AZO (2% Al 2 O 3 ) 5.56 g / cm 3 . Taispeánann Figiúr 1 éifeacht na teocht ar dhlús choibhneasta sprioc AZO.


Fig.1

Fíor 1 Éifeacht an teocht ar dhlús choibhneasta sprioc AZO dlúithe ag 35 MPa ar feadh 120 nóiméad


Mar a thaispeántar i bhFíor 1, agus an teocht ag méadú ó 800 ° C go 1100 ° C, tá dlús coibhneasta AZO ag méadú go tapa ó 79.4% go 95.2%. Le linn an phróisis shintéirithe, tá fórsaí van de Walls, fórsa leictreastatach, fórsa banna ceimiceacha agus fórsa leictreonaice ag fórsaí tiomána a luasghádaíonn cáithníní chun teagmháil a dhéanamh lena chéile. Go háirithe, tá ról mór ag an bhfórsa banna ceimiceach toisc go bhfuil líon mór bannaí contúirteacha ar dhromchla na gcáithníní. Le teocht ag méadú, cuirtear feabhas ar an difríocht adamh. Dá bhrí sin, is féidir leis an dá adamh dromchla an bacainn fhéidearthach a thrasnú níos éasca le banna ceimiceach a chomhcheangal le chéile. Dá bhrí sin, tá éifeacht an teocht ar an dlús coibhneasta an-suntasach.


Léiríonn Fíor 2 an éifeacht a bhaineann le brú ar dhlús choibhneasta sprioc AZO. Agus an brú á mhéadú ó 15 MPa go 35 MPa, méaduithe dlús coibhneasta ó 88% go 95.2%.


Fig.2

Fíor 2 Éifeacht an bhrú ar dhlús choibhneasta sprioc AZO dlúithe ag 1150 ° C ar feadh 120 nóiméad


D'eascaigh SHI cothromóid dlúis le haghaidh brú te:

equation-1

áit a bhfuil ρ an dlús; Is é an t-am; Is é K an cóimheas idir líon iomlán na bpéire ar líon na gcáithníní; D eff é an comhéifeacht idirleathadh éifeachtach; Is é Ω a líon na gcáithníní difusing; Is é D an meánmhéid na gcáithníní; k Is é an tairiseach Boltzmann; Is é T an teocht teirmeodinimiciúil; σ eff is é an strus comhbhrúiteach éifeachtach; Is é γ s an teannas dromchla. Tá cothromóid ann i measc σ eff , ρ agus brú seachtrach p a .

equation-2

Ceart. Taispeánann (2) gurb é an strus agus an dlús é an strus comhbhrúite éifeachtach (σ eff ). Nuair a mhéadaigh an brú ó 15 MPa go 20 MPa, tháinig méadú ar ithreacht . Dá bhrí sin, bhí an príomh-ról ag an brú maidir leis an dlús coibhneasta a mhéadú ó 88% go 90.5%. Nuair a bhí an brú idir 20 MPa agus 30 MPa, luathaíodh an ráta dlúis le brú méadaithe. Ach ar ais, nuair a bhí an dlús coibhneasta níos airde, laghdaíodh an strus comhbhrúiteach éifeachtach, rud a d'fhágfadh ráta dlúis níos ísle. Mar sin, tháinig méadú beag ar dhlús coibhneasta an sprioc ó 90.5% go 91.6%. Nuair a bhí an brú níos airde ná 30 MPa, bhí an príomh-ról ag an mbrú arís agus an dlús coibhneasta a mhéadú ó 91.6% go 95.2% go géar. Dá bhrí sin, ba é an dlús coibhneasta deiridh idirghníomhaíocht an bhrú agus an dlúis choibhneasta féin. Mar a thaispeántar i bhFíor 2, agus an brú á mhéadú, bhí an dlús coibhneasta méadú S-shapedly.


Seachas teocht agus brú, tá éifeacht ag an am caomhnaithe freisin ar dhlús choibhneasta sprioc AZO. Nuair a bhí dlús ag 1100 ° C agus 35 MPa le 0.5, 1 agus 2 h d'am caomhnaithe, baineadh dlús coibhneasta an sprioc 92.5%, 94.6% agus 95.2%, faoi seach. Ag 1100 ° C agus an brú céanna, fiú nuair a mhéadaigh an t-am caomhnaithe go dtí 10 h, bhí méadú teoranta sa dlús dlúth coibhneasta nach raibh ach 94.1% ann; cé gurbh fhéidir an sampla a bhí brúite ag 1100 ° C le ham 1 1 a chaomhnú 94.6% a bhaint amach. Tugtar i gcrích gurb é an teocht an ról is tábhachtaí i ndlúthú sprioc AZO. Mar sin féin, tá brú agus am a chaomhnú mar fhachtóirí tábhachtacha chun sprioc ardlóis a bhaint amach.


3.2 Éabhlóid Pore

I sprioc ceirmeach, tá dhá chineál pores ann, pores cainéal agus pores scoite. De réir sainmhínithe Coble , tá na pores cainéil sa chéad agus an dara céim, agus gintear na pores scoite sa tríú céim. Rinne WILKINSON agus ASHBY staidéar ar an bpróiseas sciathóireachta brúite te agus fuair sé amach gur féidir é a roinnt ina dhá chéim: céim an phóta cainéil agus an chéim pore scoite. Is féidir méid an phóta cainéil agus a dáileadh a thomhas trí phirosiméadar iontrála mearcair. Ní féidir tástáil a dhéanamh ar an méid pore scoite go díreach ach is féidir an t-ábhar toirte a ríomh ón dlús coibhneasta agus le hábhar toirte na buaillí cainéal de réir an chothromóid seo a leanas.


áit a bhfuil φRD dlús coibhneasta an sprioc; Is é φC an codán toirte de na pores cainéil; Is í φI an codán toirte de na pores iargúlta. Dá bhrí sin, ó φRD agus φC, is féidir φI a dhíorthú.


D'fhonn imscrúdú pore a imscrúdú le linn an phróisis dlúisithe, cuireadh an púdar measctha ZnO agus Al2O3 ar fáil ag 900 ° C ar feadh 2 h ionas go mbainfí amach an so-ghalaithe nó an taise. Chomh maith leis sin, ós rud é gurb é an teocht an fachtóir is tábhachtaí, dhírigh an t-imscrúdú seo go príomha ar éifeacht na teochta ar athrú pore le linn dlús a chur le brú te. Nuair a bhí an brú 18 MPa, bhí an t-am caomhnaithe 30 nóiméad, agus bhí teocht ag 850, 950, 1 050 agus 1 150 ° C, faoi seach, go raibh eiseamail sprioc dírithe ar leithligh. Rinneadh φRD, φc, φI a anailísiú agus taispeántar na torthaí i dTábla 1.


Tábla 1 Éabhlóid Pore i sprioc AZO ag teochtaí difriúla ag brú te


Mar a thaispeántar i dTábla 1, agus an teocht ag méadú ó 850 ° C go 1 050 ° C, méadaíodh φRD

go géar ó 51.7% go 80.3%, ag an am céanna, tháinig laghdú mór ar φC ó 45.7% go 19.6%. Nuair a mhéadaigh an teocht brú te go 1 150 ° C, laghdaigh φC go 0, ag nochtadh go raibh gach pores cainéal scoite amach. Mar a fheictear i dTábla 1, méadaíodh meán-thrastomhas na bóillí cainéil ó 136.78 nm go 169.08 nm le teocht méadaithe ó 850 ° C go 950 ° C. Taispeánadh go bhfuil meascán agus fás cainéal ann i rith an phróisis dlúisithe. Go deimhin, tá an cineál teaglaim agus fás seo ar cheann de na fórsaí tiomána den dlúsú. Léiríonn Fíor 3 na sonraí maidir le héabhlóid na buaillí cainéil. Nuair a bhí an teocht 950 ° C, mhéadaigh an trastomhas pore. Ina theannta sin, le teocht ag dul suas, bhí an dáileadh méid pore cúngaithe cé nach raibh an trastomhas meán athraithe go mór. Mar sin féin, tháinig laghdú ar líon na pore cainéal go 0 nuair a bhí an teocht 1 150 ° C, rud a chiallaíonn sin

bhí gach pores cainéal scoite amach.


Fíor 3 Limistéar pore carnach vs trastomhas pore i sprioc AZO dlúithe ag teochtaí éagsúla ar feadh 30 nóiméad


Taispeánann Fíor 4 an t-athrú ar phiocháin iargúlta. Is é an codán toirt íosta ag teocht 1 050 ° C. Ag teocht níos ísle, d'oscail roinnt pores iargúlta le linn dlúsú, agus ag teocht níos airde ná 1 050 ° C, chuaigh an codán toirte suas go mór. Is féidir le feiceáil gurbh é 5.2% ar an teocht de pháirceanna iargúlta, de 1 150 ° C. B'fhéidir gur chuir sé le fás mór an muineál ag teocht ard.


Fig. 4 Chodán toirte de phóraí iargúlta i sprioc AZO vs teocht


Taispeánann Fíor 5 íomhánna SEM de mhoirfeolaíocht briste ar eiseamail sprioc AZO. Mar atá léirithe i bhFigiúr 5, is féidir an fás muineál a fheiceáil go soiléir. Nuair a bhí an teocht 850 ° C, tháinig na cáithníní níos gaire, thosaigh an muineál shintéirithe ach níor tharla aon fhás follasach. Bhí pores ceangailte lena chéile. Ní raibh na pores iargúlta le feiceáil. I bhFigiúr 5 (b), thosaigh an fás muineál agus d'eascair fás pore. Bhí na pores cainéal fós. Nuair a mhéadaigh an teocht suas go dtí 1 050 ° C, tharla fás breise ar an muineál. Mar sin féin, mar a thaispeántar i bhFíor 4, bhí na pores cainéil fós. Nuair a bhí an teocht 1 150 ° C, d'fhéadfaí fás suntasach muineál a thabhairt faoi deara. Ag an am céanna, na cáithníní

ceangailte lena chéile, agus bhí na pores scoite amach.


Thug XIAO et al [11] foirmiú nodule agus díríodh ar an sprioc. B'fhéidir gurbh fhéidir dlús íseal a bheith mar thoradh ar nodules. Mar sin féin, d'fhéadfadh na pores iargúlta a bheith ina fhachtóir eile chun nodules a thabhairt. Ós rud é go ndéanfaí na pores iargúlta a phléasc nuair a bhuail an plasma é le linn sputtering maighnéadacha. Dá réir sin, bhí sé an-tábhachtach an codán toirte de na pores iargúlta a íoslaghdú.


Taispeánann Fíor 6 íomhá SEM de sprioc AZO teite ag 18 MPa agus 1 150 ° C ar feadh 2 h.


Rinneadh an dlús coibhneasta a thomhas go 96% agus méadú beagán. Níor aimsigh porosiméadar iontrála Mearcair na buaillí cainéil. Mar a thaispeántar i bhFíor 6, bhí na pores scoite amach, ag nochtadh go bhféadfaí na pores iargúlta a bhaint go héifeachtach leis an am a chaomhnú.


Is é ráta téimh, dlús dlúth agus teocht glas na príomhfhachtóirí a bhféadfadh pores scoite amach. Mar a thaispeántar i bhFíor 4, bhí an codán codán de phóraí iargúlta íosta ag teocht 1 050 ° C. Dá bhrí sin, d'fhonn sprioc dlús níos airde a bhaint amach le codán toirt íoslaghdaithe de na pores iargúlta, rinneadh brú teochta dhá chéim. Sa chéad chéim, rinneadh brú te ag 1 050 ° C ar feadh 1 h, agus ansin bhí brúite te teoranta ag 1 150 ° C ar feadh 1 h eile. Taispeánann Fíor 7 moirfeolaíocht briste SEM de sprioc AZO. Mar a léirítear i bhFíor 7, bhí an sprioc an-dlúth. D'fhéadfaí beagán de phórais iargúlta a thabhairt faoi deara. Tomhas an dlús coibhneasta mar 99%, an-dlúth leis an dlús teoiriciúil.


Fíor 5 íomhánna SEM de mhoirfeolaíocht briste ar spriocanna AZO a rinneadh ag teochtaí éagsúla agus 18 MPa ar feadh 30 nóiméad: (a) 850 ° C; (b) 950 ° C; (c) 1 050 ° C; (d) 1 150 ° C


Fíor 6 íomhá SEM de sprioc AZO teite ag 18 MPa agus 1 150 ° C ar feadh 2 h


Fíor 7 íomhá SEM de sprioc AZO arna ndéanamh ag brú te dhá chéim


D'ullmhaigh SUN et al [15] sprioc AZO leis an dlús coibhneasta de 99.6% trí shíodrú sleamhnáin gan bhrú

réitigh. Ach bhí an teocht shintéirithe 1 400 ° C i bhfad níos airde.



3.3 Athrú struchtúr céim le linn brú te

Cuireadh an t-ábhar céim spinel i gcomparáid idir na spriocanna a dhéantar trí bhrú te agus shintéiriú san atmaisféar ag teocht 1 100 ° C. Léiríonn Figiúr 8 an difríocht i bpatrúin XRD spriocanna AZO. Mar a léirítear i bhFíor 8 (a), bhí na príomh-beanna beagnach mar an gcéanna. Taispeánann Fíor 8 (b) na próifílí suntasaithe de bhuaic ZnAl2O4 ag 2θ = 64.7 ° -65.6 °. Le linn phróiseas teolaithe te sprioc AZO, tharlaíonn dhá imoibriú. Is é ceann amháin go ndéanann Al dopant idirdhealú i laitíse ZnO chun Zn a chur in ionad, is é an ceann eile go n-imoibríonn ZnO le Al2O3 chun céim spinel de ZnAl2O4 a dhéanamh. Is féidir an dá imoibriú a léiriú mar seo a leanas:


Is féidir é a fheiceáil ó Fíor 8 (b) go raibh an t-ábhar spinel i sprioc brúite te níos ísle ná mar a rinneadh trí shintéiriú san atmaisféar. Go deimhin, bhí an teocht shintéirithe de ghnáth níos airde ná 1 300 ° C i shintéiriú brú. Mar sin, bhí an t-ábhar céim spinel sa sprioc a rinneadh trí shintéiriú san atmaisféar i bhfad níos airde ná mar a bhí sa sprioc a rinne an teas.

Taispeánann Fíor 9 an éabhlóid struchtúr céim le teocht le linn brú te. Is féidir a fheiceáil go bhfuil teocht Al2O3 sa sprioc ag teocht níos ísle ná 900 ° C. Nuair a bhí an teocht 1 000 ° C, imíonn an chéim Al2O3 ach tarlaíonn an chéim ZnAl2O4. Agus ag teocht 1 100 ° C, tá méadú beagán ar ábhar na céime ZnAl2O4.


Fíor 8 patrúin XRD de spriocanna AZO a dhéantar trí bhrú te agus sioncronú san atmaisféar: (a) patrúin XRD; (b) Próifílí mhéadaithe ag 2θ = 64.7 ° -65.6 °

Fig. 9 Éabhlóid struchtúr céim de spriocanna AZO a rinneadh ag teochtaí difriúla ag brú te ag 35 MPa ar feadh 2 h



3.4 Éifeachtaí an teocht agus an t-am a chaomhnú ar fhriotasacht leictreacha de sprioc AZO


De réir imoibriú (4), nuair a thagann ceann Al3 + in ionad Zn2 + amháin, gineann aon bhreis leictreon. Dá bhrí sin, is féidir le sprioc AZO bheith ina seoltóir maith leictreachais. Braitheann frithsheasmhacht sprioc AZO ar mhéid na n-ionsaí Zn2 + ina n-ionad ionsaithe Al3 + le linn brú te. Léiríonn Figiúr 10 an t-athrú frithghníomhaíochta de sprioc AZO le teocht brú te.


Fíor 10 Éifeacht an teocht brúite te ar fhrithsheasmhacht AZO ag 35 MPa ar feadh 2 h


Ó Fíor 10, is féidir a fheiceáil gur tharla an t-imoibriú ionaid go raibh teocht Al2O3 ag teocht 900 ° C, mar a thaispeántar i bhFíor 9. Ach mar níor tharla an t-imoibriú ionaid go héifeachtach, bhí an frithsheasmhacht ag ardleibhéal . Nuair a mhéadaigh an teocht brú te go 1 000 ° C, laghdaigh an fhrithsheasmhacht go géar, ó 0.08 Ω⋅cm go 0.018 Ω⋅cm. Léiríonn sé gur chuir ionsaithe Al3 + in ionad go leor ionsaí Zn2 +. Mar sin féin, nuair a mhéadaíodh an teocht go 1 100

° C, chuaigh an resistivity níos faide go 0.006 3 Ω⋅cm. Léirigh sé go raibh Alion + in ionad go leor ionsaí Zn2 +. Idir an dá linn, le giniúint níos mó ZnAl2O4, mar a thaispeántar i bhFíor 9, moillíodh an treocht meath ar fhrithsheasmhacht toisc gur ghníomhaigh ZnAl2O4 mar an ionad scaipthe leictreonacha a laghdaigh soghluaisteacht leictreon.


Taispeánann Figiúr 11 an treocht forbartha ar fhrithsheasmhacht sprioc AZO leis an am caomhnaithe ag te

ag teocht 1 100 ° C. Go ginearálta, bhí an resistivity ag dul síos leis an méadú ar an am a chaomhnú. Ó 0.5 h go 1 h, laghdaíodh an resistivity ó 0.01 Ω⋅cm go 0.006 Ω⋅cm go tapa.

Le linn na céime seo, is é an próiseas is mó a chuirtear i bhfeidhm, rud a fhágann go bhfuil frithsheasmhacht níos ísle ann. Ó 1 h go 2 h, bhí an fhrithsheasmhacht beagnach mar an gcéanna. Is dócha, le linn na céime seo, go bhfuil an éifeacht ar imoibriú ionaid agus ar ghiniúint ZnAl2O4 cothrom. Le brú te ag dul ar aghaidh, tháinig an próiseas ar an bpróiseas níos mó arís agus a dhírigh ar fhrithsheasmhacht leictreachais síos go 3 × 10-3 Ω⋅cm.


Fíor 11 Éifeacht an t-am a chaomhnú ar fhrithsheasmhacht sprioc AZO teite ag 1 100 ° C agus 35 MPa


4 Conclúidí

1) Agus an teocht, an brú agus an t-am caomhnaithe a mhéadú, méadaíodh dlús coibhneasta an sprioc AZO a rinne modh brú te. Mar sin féin, bhí teocht mar fhachtóir níos tábhachtaí. Ag 1 050 ° C, is é an codán íosta de na pores iargúlta an t-íosmhéid.

2) Déantar sprioc AZO ard-dhlús ard (99% de dhlús coibhneasta) a dhéanamh trí mhodh teochta dhá chéim.

3) Ag teocht níos ísle ná 900 ° C, bhí céim Al2O3 ann; ag teocht níos airde ná 1 000 ° C, gineadh ZnAl2O4 céim agus mhéadaigh an t-ábhar leis an teocht ag méadú.

4) Bhí an buntáiste ag an modh brú te maidir le haon atmaisféar a shintéiriú go raibh ábhar ZnAl2O4 níos ísle agus d'fhéadfadh an teocht shintéirithe a bheith níos ísle freisin.

5) Le méadú ar theocht brú te agus am caomhnaithe, frithsheasmhacht leictreacha sprioc AZO

tháinig laghdú mór orm. Baineadh frithsheasmhacht íseal 3 × 10-3 Ω⋅cm faoi bhrú 35 MPa, teocht 1 100 ° C ar feadh 10 h d'am a chaomhnú trí bhrú te.


'Nar par ya:Gan Fhaisnéis Next2:Gan Fhaisnéis