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研究生:黃勇豪
研究生(外文):Huang, Yunghao
論文名稱:濺鍍含金屬電極層之掺鋁氧化鋅薄膜光電與微結構特性之研究
論文名稱(外文):Study Of Microstructures And Electro-optic Properties On Sputtering AZO With Metal Electrode Thin Films
指導教授:林彥勝
指導教授(外文):Lin, Yensheng
口試委員:陳進祥蘇水祥林彥勝
口試委員(外文):Chen, ChinhsiangSu, ShuihsiangLin, Yensheng
口試日期:2012-07-20
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:電子工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:摻鋁氧化鋅射頻磁控濺鍍機光電效益指數
外文關鍵詞:AZORF Magnetron SputterFOM
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本研究藉由濺鍍不同金屬導電薄膜層,於摻鋁氧化鋅(Al:ZnO﹐AZO)薄膜夾層中,在控制80%之穿透率下,來研究提升薄膜之導電特性製程。藉由射頻磁控濺鍍系統(RF magnetron sputtering)濺鍍不同金屬薄膜包括Al、Cu及Ag等,而形成AZO/Al/AZO(ALA)、AZO/Cu/AZO (ACA)及AZO/Ag/AZO(AGA)結構之透明導電薄膜,後續再以X光繞射儀和掃描式電子顯微鏡分析其結晶方向及結構特性、原子力顯微鏡觀察其平均粗糙度及穿透式電子顯微鏡觀察其三明治結構界面形貌,再由UV光譜儀量測系統及霍爾量測系統等量測其光電特性。研究結果發現中間為金屬銀所形成之AZO/Ag/AZO薄膜具有最佳光電效益指數(Figure of merit,FTC)為-2.7×10-2 Ω-1,此時其Ag厚度為9 nm,電阻值為8.9×10-5 Ω-cm,穿透率維持在81%以上。
In this study, the different metal thin films were sputtered to form AZO/Metal/AZO sandwich structures, the Penetration was controlled higher than 80% and the conductivity properties of thin films was enhanced. The RF magnetron sputtering system had been used to deposit the different thickness metal layers and AZO thin film to form as AZO/Al/AZO (ALA), AZO/Cu/AZO (ACA) and AZO/Ag/AZO (AGA) structures. The X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to analyze the crystal orientation and structural characteristics, the atomic force microscope were used on surface to had root mean square roughness and the interface of D/M/D were performed by the transmission electron microscopy. The optoelectronic property was measured by UV spectroscopy and Hall measurement system. The results show when the Ag thickness is controlled as 9 nm, the best figure of merit of the AZO/Ag/AZO tri-layer film is 2.7×10-2 (Ω-1), it means that the lower resistivity of 8.9×10-5 Ω-cm and higher average transmittance of 81% of the transparent conducting oxides had been grown in our study.
中文摘要I
ABSTRACT II
致謝III
總目錄V
圖目錄VIII
表目錄XI
第一章、緒論1
1.1 前言1
1.2 研究動機3
第二章、理論基礎與文獻回顧4
2.1 透明導電薄膜介紹4
2.1.1 透明導電薄膜種類及應用4
2.1.2 透明導電薄膜的光學原理6
2.1.3 透明導電薄膜的導電原理8
2.1.4 濺鍍AZO/Metal/AZO薄膜特性10
2.2 薄膜濺鍍理論12
2.2.1 濺鍍原理12
2.2.2 薄膜沉積特性15
第三章、研究步驟與方法17
3.1 研究流程圖17
3.2 製程設備18
3.2.1 射頻磁控濺鍍機18
3.2.2 快速熱退火爐製程20
3.3 微結構分析儀器22
3.3.1 X光繞射分析22
3.3.2 掃描式電子顯微鏡24
3.3.3 穿透式電子顯微鏡27
3.3.4 原子力顯微鏡29
3.4 光電特性量測儀器31
3.4.1 霍爾效應量測儀31
3.4.2 UV-VIS光譜儀33
第四章、結果與討論35
4.1 基板加熱溫度對AZO薄膜特性之影響35
4.1.1 結晶性分析35
4.1.2 微結構變化之分析37
4.1.3 光電特性分析40
4.2 金屬厚度變化對AZO/Metal/AZO薄膜特性之影響42
4.2.1 結晶性分析42
4.2.2 微結構變化之分析46
4.2.3 光電特性分析50
4.3 基板加熱處理對AZO/Metal/AZO薄膜特性之影響54
4.3.1 結晶性變化之比較54
4.3.2 微結構變化之比較57
4.4.3 光電特性變化之比較59
4.4 AZO/M/AZO薄膜應用於染料敏化太陽能電池(DSSC)之研究62
第五章、結論與未來研究工作65
參考文獻67
附錄一 作者簡介及論文發表70
附錄二 得獎論文獎狀72
圖目錄
圖2-1 TCO穿透、吸收及反射光譜圖7
圖2-2 濺鍍原理示意圖14
圖2-3 離子與靶材表面交互作用之關係示意圖14
圖2-4 薄膜成長示意圖16
圖3-1 研究流程圖17
圖3-2 射頻磁控濺鍍機(a)儀器結構示意圖及(b)實照圖19
圖3-3 快速熱退火爐(a)示意圖及(b)實照圖21
圖3-4 (a)布拉格定律繞射示意圖及(b) X光繞射分析儀實照圖23
圖3-5 掃描式電子顯微鏡實照圖25
圖3-6 (a)掃描式電子顯微鏡構造及(b)電子束與試片作用之原理示意圖26
圖3-7 穿透式電子顯微鏡(a)構造(b)實照圖28
圖3-8 原子力顯微鏡(a)結構示意圖(b)實照圖30
圖3-9 霍爾量測系統(a)原理圖、(b)結構示意圖及(c)實照圖32
圖3-10 UV-VIS光譜儀儀器(a)示意圖及(b)實照圖34
圖4-1 AZO在不同基板加熱溫度下之XRD圖36
圖4-2 (a)AZO及(b)AZO-S400之SEM側視圖38
圖4-3 AZO在不同基板加熱溫度下之SEM俯視圖(a)As-grown (b)200 ℃(c)300℃(d)400℃ 38
圖4-4 AZO在不同基板加熱溫度下之2維AFM圖39
圖4-5 AZO在不同基板加熱溫度下之3維AFM圖39
圖4-6 AZO在不同基板加熱溫度下之電阻率圖41
圖4-7 AZO在不同基板加熱溫度下之穿透率圖41
圖4-8 AZO/Metal/AZO不同金屬薄膜厚度下之XRD圖,(a)金屬-鋁(b)金屬-銅(c)金屬-銀44
圖4-9 AZO/Metal/AZO不同金屬薄膜厚度下之晶粒大小圖45
圖4-10 AZO/Metal/AZO結構之SEM側視圖(a)Al (b)Cu (c)Ag 47
圖4-11 AZO/Metal/AZO結構之SEM俯視圖(a)Al-3nm (b)Al-9nm(c)Al-15nm (d)Cu-3nm (e)Cu-9nm (f)Cu-15nm (g)Ag-3nm (h)Ag-9nm (i)Ag-15nm 47
圖4-12 AZO/Al/AZO結構之高解析TEM圖像,其中上面影像為方塊之放大圖49
圖4-13 AZO/Ag/AZO結構之高解析TEM圖像,其中上面影像為方塊之放大圖49
圖4-14 AZO/Metal/AZO不同金屬厚度下之電阻率圖51
圖4-15 AZO/Metal/AZO不同金屬厚度下之穿透率圖,(a)金屬-鋁(b)金屬-銅(c)金屬-銀53
圖4-16 AZO/Metal/AZO不同金屬厚度下之光電效益指數圖53
圖4-17 基板加熱處理下層AZO薄膜後之AZO/Metal/AZO結構XRD圖55
圖4-18 基板加熱處理上、下層AZO薄膜後之AZO/Metal/AZO結構XRD圖56
圖4-19 基板加熱處理下層AZO薄膜後之AZO/Metal/AZO結構SEM圖58
圖4-20 基板加熱處理上、下層AZO薄膜後之AZO/Metal/AZO結構SEM圖58
圖4-21 基板加熱處理AZO薄膜後之AZO/Metal/AZO結構電阻率圖60
圖4-22 基板加熱處理下層AZO薄膜後之AZO/Metal/AZO穿透率圖61
圖4-23 基板加熱處理上、下層AZO薄膜後之AZO/Metal/AZO結構穿透率圖61
圖4-24 染料敏化太陽能電池之原始結構圖64
圖4-25 染料敏化太陽能電池之利用AZO/Metal/AZO結構圖64
表目錄
表2-1 常見之TCO材料基本特性5
表2-2 D/M/D結構光電特性比較11
中文部份
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[21]Y.S. Kim, J.H. Park, D.H. Choi, H.S. Jang, J.H. Lee, H.J. Park, J.I. Choi, D.H. Ju, J.Y. Lee, Daeil Kim“ITO/Au/ITO multilayer thin films for transparent conducting electrode applications” Applied Surface Science Vol.254, pp.1524–1527,2007.
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