Ba1-xLaxSnO3外延薄膜的制备及其性能研究

作     者：程志杰 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：廖霞霞;柯善明;焦红军

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：云母衬底 外延生长 Ba1-xLaxSnO3薄膜 高透明度 电热性能 

摘      要：随着人们对可穿戴设备、先进传感器和便携式器件的需求不断增长,具有良好导电性和透光性的透明导电氧化物（TCO）薄膜作为透明柔性电子器件的基本组成部分引起了学者们的关注。到目前为止,应用最广泛的透明导电氧化物材料主要包括氧化铟锡（ITO）、氟掺杂氧化锡（FTO）和铝掺杂氧化锌（AZO）。然而,In的潜在稀缺性导致其价格直线上涨。FTO中掺杂的氟离子具有腐蚀性,AZO具有制备工艺难以控制,导致产品稳定性、均匀性和重复性均不理想的缺点。因此,人们进行大量的研究工作以寻找替代ITO,FTO和AZO薄膜的材料。 结构稳定的钙钛矿型氧化物薄膜由于掺杂适量的稀有元素能有效改善薄膜的光电性能,使之成为了近年来炙手可热的研究方向之一。其中,宽带隙钙钛矿型Ba SnO3基材料（3.1 e V）因其高透光率和极低的电阻率,并且具有与光电器件良好的结构兼容性而受到青睐。目前Ba SnO3基透明导电薄膜大多数生长在刚性单晶衬底上,基于透明衬底的透明导电薄膜器件会是未来重要的研究领域,然而相关的研究较少。本文通过Sr Ti O3缓冲层的诱导,采用脉冲激光沉积（PLD）技术在透明氟晶云母衬底沉积外延Ba1-xLaxSnO3薄膜,优化薄膜的生长工艺,以研究其光学和电热性能。主要工作内容如下: （1）采用高温固相反应法制备Ba1-xLaxSnO3靶材（x=0,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.07,0.08,0.09,0.1）。以Sr Ti O3作为缓冲层,使用PLD技术生长Ba0.96La0.04SnO3/Sr Ti O3/Mica薄膜。系统探索原位退火时间、氧分压、沉积温度和激光能量对Ba0.96La0.04SnO3薄膜的影响。通过X射线衍射仪、原子力显微镜等仪器对Ba0.96La0.04SnO3薄膜进行微观结构、表面形貌测试。实验结果表明,沉积Ba0.96La0.04SnO3薄膜最佳条件为原位退火时间30 min,氧分压为5 Pa,沉积温度780℃和激光能量80 mj,薄膜表面粗糙度（RMS）为937.257 pm,表现出良好的结晶质量。 （2）基于Ba0.96La0.04SnO3/Sr Ti O3/Mica薄膜最佳生长条件的基础上,系统研究不同La掺杂浓度对Ba1-xLaxSnO3薄膜微观结构、表面形貌、透过性能和电输运性能的影响。结果表明,当x0.08时,薄膜在可见光的范围内平均透过率都超过85%,最大平均透过率达到89.16%（x=0.04）。Ba0.96La0.04SnO3和Ba0.94La0.06SnO3薄膜室温电阻率分别为9.06 mΩcm和9.91 mΩcm,品质因子分别达到5.29×10-3Ω-1和3.77×10-3Ω-1,Ba0.93La0.07SnO3薄膜取得最大室温载流子迁移率,为6.78 cm2 V-1 s-1。对薄膜进行弯曲半径为5 mm的抗弯曲测试,弯曲1000次后,透过率几乎保持不变,电阻率略微增大,表现出优良的机械稳定性。 （3）探索不同云母衬底厚度（0.047 mm,0.11 mm,0.24 mm）、薄膜厚度（60 nm,120 nm,240 nm）以及La掺杂浓度（x=0.04,0.06）对薄膜电热性能的影响。实验结果显示,0.047 mm的衬底取得最短热响应时间（～8 s）,厚度为240 nm的Ba0.96La0.04SnO3薄膜在承受24 V输入电压加热器达到302℃饱和稳定温度。