溶胶凝胶法SnO2 薄膜复合掺杂的研究

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1、http://www.paper.edu.cn1溶胶凝胶法SnO2薄膜复合掺杂的研究12王灵伟，靳正国天津大学材料学院，天津（300072）E-mail：wanglingwei198510@163.com摘要：本文通过Sol-Gel法制备了透明导电SnO2薄膜，探讨Sb-Mo，Sb-F等复合掺杂对SnO2薄膜晶粒生长，透光性能和导电性能的影响，应用XPS、XRD、TEM、UV-Vis和四探针仪表征了薄膜的结构与性能。结果表明，固定掺杂下，复合掺杂Mo，晶粒生长受阻，薄-膜电阻升高。复合掺杂F，薄膜导

2、电性能有所提高。膜厚为650nm的SnO2+5at%Sb+6at%F薄膜方阻达60Ω/□，可见光透光率>80%。关键词：SnO2薄膜；溶胶凝胶；Sb掺杂；复合掺杂中图分类号：O614.43+21引言[1,2]二氧化锡(SnO2)薄膜是一种宽带n型半导体，跟TiO2、CeO2一样为金红石结构。其禁[3-4]带宽为3.6eV。SnO2膜的特点是膜强度大，化学稳定性好，理论上纯SnO2属于典型的绝缘体，但是由于存在晶格氧缺位在禁带内形成Ed=-0.15eV的施主能级向导带提供浓度约为1518-310~10

3、cm的电子，所以通常不掺杂的SnO2为n型半导体。由于其良好的导电性和透光性，SnO2薄膜被广泛应用于薄膜电阻、电热转换薄膜、气敏传感器、透明电极、SIS结构异质结、玻璃及玻璃器皿的表面保护等。另外，SnO2具有良好的吸附性及化学稳定性，可以沉积在[5]诸如玻璃、陶瓷、氧化物及其他种类的衬底材料上。掺杂SnO2为透明导电的n型半导体材料，导电性质介于半导体如Si、Ge、GaAs和金属之间。Sb、As或F等元素掺杂均能形成浅施主能级掺杂，会在半导体的导带底附近引入一个施5+4+主能级，向导带提供电子。

4、其中，Sb替换Sn形成施主掺杂增加薄膜导电性能较为成功，[6]-4Shanthi.S等采用喷射热分解法制备出电阻率为9×10Ω·cm、可见光透射率达80%以上的[7]ATO薄膜。杨田林等人用射频磁控溅射法在聚酞亚胺衬底上制备出了透过率为80%左右，-3最低电阻率为3.7×10Ω·cm，附着良好的SnO2:Sb透明导电膜。然而ATO薄膜，Sb的掺杂明显使薄膜着色，不利于薄膜的透光性能，并且Sb的加入，也会抑制氧化锡薄膜晶粒的生长而影响薄膜透光性。透明导电氧化物薄膜的结构、光学和电学特性强烈依赖于组成、

5、制备工艺及参数。透明[8]导电膜的制备方法总体可分为物理法和化学法，化学法主要包括喷涂法，化学气相沉积法[9,10][11-14][15-18](CVD)，sol-gel法等；物理法主要包括蒸发和溅射等。溶胶凝胶法具有工艺设备简单，容易大面积涂敷在各种不同形状的基底，易于定量掺杂等优点。本文通过水基体系溶胶凝胶法研究透明导电SnO2薄膜的制备，在固定5at%的Sb掺杂下，通过Sb-Mo、Sb-F进行复合掺杂改性，研究了掺杂量、热处理等对薄膜电导和透光性能的影响。2实验过程2.1试剂原料实验使用原料：

6、SnC2O4（自制）、柠檬酸(C6H8O7)、单乙醇胺(H2NCH2CH2OH)、三氯化锑(SbCl3)、钼酸铵((NH4)6Mo7O24⋅4H2O)、氟化铵(NH4F)、无水乙醇和去离子水。所有原料-1-http://www.paper.edu.cn都为分析纯（AR）。2.2锡溶胶的制备称取SnC2O4粉末，加入适量水，缓慢倒入H3L-MEA溶液进行锡的络合溶解，待粉末消失溶液澄清后，滴入少量MEA再次调节pH，搅拌溶液2h，形成透明稳定溶胶。加入适量乙醇稀释溶胶。制备复合掺杂薄膜，按Sb/Sn=

7、5at%，配置透明稳定Sb掺杂Sn溶胶。再按Mo/Sn=0at%，0.50at%，1at%，1.5at%，2at%，2.5at%，3at%；F/Sn=0at%，3at%，6at%，9at%，12at%，15at%，称取适量的钼酸铵，氟化铵。在溶胶中按配比分别加入掺杂物质，搅拌均匀，待溶胶透明清澈为止。2.3薄膜制备采用浸渍-提拉法制膜，薄膜提拉速度为1mm/s。将洁净的载波片固定在提拉杆上，下降载波片进入溶胶中并停留30s，然后稳速提拉载波片离开溶胶，取下载波片放入空气中干燥10分钟，放入300℃的

8、马弗炉中处理10min，再放入450℃的马弗炉加热10min取出，室温冷却。为得到所需膜层厚度，需重复上述过程。2.4表征与分析采用FEI公司TecnaiG2F20型场发射透射电镜对SnO2基薄膜的晶粒大小，形貌进行分析。XRD测试采用日本Rigaku公司的D/max-2500v/pc型多晶X射线衍射仪。采用SDY-5型双电测四探针测试仪进行了四探针双位组合测量薄膜表面阻，北京普析通用仪器有限责任公司生产的TU-1901型双光束紫外可见光分光光度计测量SnO2薄膜在3