● 摘要
透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）薄膜具有较大的禁带宽度和较高的载流子浓度，具有电阻率低、可见光区高透过、紫外光截止以及红外光区高反射率等优良的光电特性，已在太阳能电池、平面液晶显示器、热反射镜、建筑玻璃节能涂层和节能视窗等诸多领域获得了广泛的研究和应用。目前，进一步提高其光电性能、阐明导电机理、开拓新的应用领域以及实现大规模工业生产都是TCO薄膜研究领域的热点。ZnO:Al（ZAO）和In2O3:Sn（ITO）是最具代表性的两种TCO薄膜。本文利用磁控溅射法及多种先进的测试手段制备和表征了ZAO和ITO薄膜，阐明了工艺条件及氮化处理对它们各方面性能尤其是光电和红外发射特性的影响及机理，优化了工艺参数；研究了γ射线、原子氧（Atomic Oxygen, AO）辐照及离子注入对两种薄膜性能的影响，阐明了它们的抗辐射性能以及离子注入改性技术对其作用效果及机理。 实验表明，Al的掺杂替位会导致ZnO薄膜的晶格收缩，引起薄膜内拉应力的减小甚至改向。ZAO薄膜的表面形貌、紫外-可见-近红外光区透射率和反射率、电学参数及大气窗口红外发射率均对溅射时的衬底温度、氧氩流量比和溅射功率有依赖关系，衬底温度和氧氩流量比具有最优化值，溅射功率的增大可以改善薄膜的光电性能。上述三参数分别为250℃、10：40和55W时，得到可见光区透过率高于90%、电阻率低至1.8×10-4 •cm、迁移率高达27.4 cm2/(V•s)、平均红外发射率为0.25的高性能ZAO薄膜。导电性能较好的ZAO薄膜具有类似金属的红外反射性质，方块电阻小于45 Ω/□时，薄膜的大气窗口平均红外发射率与方块电阻间满足ε= 0.248+0.0122 Rs-1.367×10-4 Rs2的二次函数关系。氨气、氮气和空气氛围下的热处理各自对ITO薄膜的导电及光学性能有着不同趋势的影响。首次研究了γ射线辐照对ZAO薄膜性能的影响，证明较高剂量率的辐照会降低ZAO的结晶程度，而同时满足低剂量和低剂量率的辐照会对薄膜起到慢退火作用；γ射线辐照会破坏ZAO薄膜的部分晶界，激发陷入空位和缺陷的电子，使其载流子浓度增大，一定辐照条件下较原始样品提高了16.39%。剂量率较高时，γ射线对薄膜结晶性能的轻微损伤导致迁移率的下降，剂量率较低时，其退火效应反而使迁移率有所提高。综合载流子浓度和迁移率的变化，证明低剂量率下低剂量的γ射线辐照有助于提高ZAO薄膜的导电性能；正电子湮没多普勒展宽谱的测试表明，ZAO薄膜内部具有负电性的Zn空位缺陷之浓度和状态基本不受辐照的影响，证明ZAO在104Gy量级具有一定的抗γ射线辐照能力。首次利用原子氧效应地面模拟设备对ZAO、ITO薄膜进行了原子氧（AO）辐照研究。前者在1.2×1020atoms/cm2通量的AO作用后，结晶程度有所下降，表面形貌有较明显的被侵蚀痕迹，但导电性能及透光性能几无改变，电阻率下降在1.7%以内；AO辐照使ITO薄膜的霍耳迁移率略微增大、载流子浓度降低，在3.66×1020 atoms/cm2的辐照通量下，薄膜电阻率增大幅度达到21.7%，而结晶性能几乎不受影响，表明AO对其氧化作用大于侵蚀作用。ZAO薄膜在导电性能方面比ITO薄膜的抗AO辐照能力强，具有取代后者应用于低地球轨道航天器表面AO防护涂层的潜力。首次利用MEVVA源强流金属离子注入技术对ITO薄膜进行了Mo+、Sn+和Ag+的注入研究。表明一定剂量范围内的Mo+注入及随后250℃下1小时的热退火可提高ITO薄膜的载流子浓度，实现注入离子的有效掺杂及替位，在1×1015cm-2 的剂量下，Mo+注入及慢退火使载流子浓度提高了14%，电阻率下降了4.9%。激活率较低导致Sn+注入难以提高ITO薄膜的导电性能，注入造成的损伤和缺陷反而降低了薄膜的电导率；由于Ag+注入时的高平均价态（3+），利用MEVVA离子注入技术掺杂银以提高ITO薄膜的电特性较为困难。对Al+和Mo+注入ZAO薄膜的研究进行了初步探索。