透明导电薄膜用Sb掺杂SnO2光电特性研究【开题报告】.doc

毕业设计开题报告 电子信息科学与技术 透明导电薄膜用Sb掺杂SnO2光电特性研究 一、选题的背景与意义 近年来，随着科技的进一步发展，太阳能电池，高分辨率，大尺寸平面显示器，节能红外反射膜等广泛应用，对透明导电膜的需求越来越大。透明导电膜主要用于透明电极、屏幕显示、热反射镜、透明表面发热器、柔性发光器件、液晶显示器等领域。这就要求透明导电膜不但要有好的导电性，还要有优良的可见光透光性。根据材料的不同，透明导电膜可分为金属透明导电薄膜，氧化物透明导电膜、非氧化物透明导电薄膜及高分子透明导电薄膜。当前，氧化物及其复合氧化物薄膜的研究十分引人关注。本课题主要研究的是Sb掺杂SnO2（简称ATO）体系。 ATO主要成分的SnO2因其优良的光电性能而被广泛应用于透明导电、固态气体传感器及催化等领域。在透明导电膜中，SnO2因其优异的光电性能已被广泛应用，二氧化锡膜是较早获得商业应用的透明导电材料之一，SnO2是透明n型宽禁带半导体材料，其Eg＝3.6 eV（300 K），纯SnO2的电阻率通常较高，其载流子浓度由氧空位决定，在SnO2中掺入少量的Sb离子能大幅度降低SnO2的电阻率并保持良好的透光性。 而随着电子工业以及相关高新技术产业的高速发展，具有半导体特性金属氧化物导电粉末尤其是超细粉末（如掺杂锑的氧化锡）由于其独特的稳定性和广泛的应用领域而得到迅速发展。 ATO（锑掺杂的二氧化锡）是一类新型浅色透明导电粉，它利用锑掺杂取代锡形成缺陷固融体时形成的氧空位或电子作为载流电子导电的。ATO可做优良隔热粉、导电粉使用。其良好隔热性能，被广泛的应用于涂料、化纤、高分子膜等领域。此外作为导电材料，在分散性、耐活性、热塑性、耐磨性、安全性有着其他导电材料无法比拟的优势。被应用于光电显示器件、透明电极、太阳能电池、液晶显示、催化等方面。 目前制备ATO粉末的方法有多种，主要包括固相法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法、金属醇盐水解法、化学共沉淀法、水热法、网络聚合法等等。采用固相法时合成温度高，粉体掺杂不均匀，粒度大并且容易引入杂质，所制粉体的电阻高，达不到使用要求，因而在ATO纳米粉体的合成中很少采用。采用溶胶一凝胶法由于要以金属有机醇盐为原料，因而成本比较高。化学共沉淀法由于具备制备工艺简单、成本低、易于 控制、合成周期短等优点，成为研究最多的制备方法。但目前的化学共沉淀法不适合制备高性能的纳米ATO粉体。结合本课题的研究特点，故采用水热法进行制备。 纯净的SnO2不导电，在SnO2中掺杂锑之后才具有半导性。因为掺杂物锑是可变价氧化物，氧化气氛下，Sb3+可能被氧化成Sb5+。系统中同时存在有Sb3+和Sb5+，由于Sn4+离子半径为0.074nm，Sb3+离子半径为0.076nm，Sb5+离子半径为0.060nm，可见Sb3+与Sb5+离子半径与Sn4+接近，可进入SnO2晶格取代Sn4+的位置。根据掺杂理论，不等价取代时，为了维护电中性，可以通过两种方式进行补偿：一种是通过导电电子补偿(电子补偿)，一种是通过金属离子缺位进行补偿(缺位补偿)。电子补偿生成导电或半导电材料，缺位补偿则可能形成绝缘材料。因此，ATO具有半导性。 对于ATO而言，Sb掺杂量的不同直接影响到透明导电膜的导电性以及透明度。从目前的研究成果看，过多或过少的Sb离子都不利于SnO2薄膜的导电。在掺杂量为1％时存在一个最低值。锑的掺杂量在5％之前对膜的透明度没有太大的影响，当超过5％时候，薄膜的透明度迅速下降。 当前对ATO薄膜的研究有以下4个方面: 1、晶体结构,其中包括了X射线衍射分析以及扫描电镜分析。 2、X射线电子能谱分析，主要是ATO样品的XPS分析。 3、电学性能，采用的是四探针仪器进行研究。 4、光学性能，包含了紫外-可见-近红外光谱和红外热反射特性以及膜厚分析。 本课题将在原有基础进一步展开对ATO的研究。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 1. 基本内容 本课题目的旨在对ATO的光电特性研究，故首先需要完成有关SnO2纳米粉体的制备，目前制备SnO2纳米粉体的方法有化学沉淀法，水热法，微乳液法，溶胶-凝胶法等，本课题主要采用水热法进行制备，再通过对反应条件的控制制备不同Sb掺杂量的SnO2纳米粉体。通过对Sb/SnO2的性能表征包括其微观结构表面化学特性及光电性能，系统地了解和对比不同Sb/SnO2的化学性能。 2. 拟解决的主要问题 1）控制Sb的掺杂量，选择性的制备相应的SnO2纳米粉体； 2）分析Sb/SnO2的微观结构； 3）分析掺杂元素Sb在SnO2纳米产物的表面化学特性； 4）分析Sb/SnO2的光电特性； 5）探索用湿化学方法制备的不同Sb掺杂量的SnO2在透明导电薄膜中的应用 三、研究的方法与技术路线： 1．水热法制备 由于水热反应是在相