Effect of Thermal Cooling Rate on Sol-Gel Prepared AZO Transparent Conductive Oxide Films

本研究是利用溶膠凝膠法(sol-gel)備製氧化鋅鋁(AZO)溶液，並使用旋轉塗佈法（Spin coating）將AZO溶液塗佈於玻璃基板上，隨後用加熱板對基板以350℃加熱烤乾，持續烤10分鐘，完成5次旋轉塗佈製程後，將試片送入含氮氣(N2)的爐管做退火處理，並針對退火溫度、退火模式與退火後降溫速度，依據其表面型態、晶體結構、光學特性與電性分別探討。 由實驗結果得知不同退火溫度下，以650℃退火處理可以得到最佳的電性，其電阻率平均最低可以達到1.5 Ω-cm，平均透光率皆達到85%以上。由XRD圖形發現AZO薄膜具有C軸(002)優先取向，於SEM圖中可以發現退火溫度上升晶粒結構愈緻密，且晶粒尺寸愈大，在650℃可以得到最大的晶粒尺寸的連續平面，於750℃因大於基板應力點溫度造成玻璃擠壓晶粒變小的不連續續平面，低於650℃晶粒結構鬆散與有機前驅物的殘留，所以發現表面結構有孔洞的情況發生。 第二部份探討不同的退火模式的影響，特別針對緩升緩降、緩升快降與快升快降三個模式分析比較，從實驗結果發現三個退火模式皆能提升電性，且平均透光率皆達到85%以上。其中以緩升緩降模式的電性提升最佳，但耗費工時最長，而其他兩種退火模式卻無法得到最佳電性，於表面結構上發現，緩升緩降晶粒尺寸最大最完整，其次是緩升快降，而緩升快降與快升快降晶粒尺寸非常趨近，所以可合理推斷降溫階段是影響電性好壞最關鍵要素。 最後針對退火後快速降溫與急速降溫作探討，由實驗結果發現，當急速降溫造成晶粒急速收縮時，不但電性無法提升，且薄膜破裂與晶粒尺寸縮小情況更為嚴重，所以並不適用於薄膜製程，但奈米晶粒結構可作於其他方面的應用。The main purpose of this thesis is to fabricate the transparent conductiveAZO (ZnO：Al) film by sol-gel method. The films were spin coated on Eagle 2000 glass with strain point 666℃. The samples were then annealed between 400 to 750℃ in N2 with different cooling schemes. The surface morphology, crystallinity, resistivity, and optical properties of AZO films were detailed studied. The experimental results showed that sol-gel films revealed a best film quality with lowest resistivity to 1.5 Ω-cm while still get an average transparency of about 85% when annealed 650℃. The samples were even annealed at the very brutal conditions to test the films quality. Fast rumpling up and cooling down process could serious detrimental to film surfaces. The surface roughness varied great with the annealing temperatures and cooling process. In this research, we learned a different way to control film surface morphology which may have a potential application in growing nanorods.誌謝 I 摘要 II ABSTRACT III 總目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 VIII 第一章 緒論 1 1.1前言與簡介 1 1.2研究動機與研究目的 2 第二章 理論基礎與文獻回顧 3 2.1透明導電膜概論 3 2.1.1 透明導電膜特性 3 2.1.2 透明導電膜分類 4 2.1.3 透明導電膜製作 5 2.1.4 透明導電膜的應用 6 2.2氧化鋅薄膜的基本特性 7 2.2.1氧化鋅薄膜的結構特性 7 2.2.2氧化鋅薄膜的電性特性 8 2.2.3氧化鋅薄膜的光學特性 10 2.3溶膠凝膠法概論 11 2.3.1 溶膠凝膠法的原理 11 2.3.2 溶膠凝膠法的反應機制 12 第三章 實驗方法 14 3.1實驗方法 14 3.1.1 AZO溶液製作方法 14 3.1.2玻璃基板切割與清潔 15 3.1.3 AZO薄膜塗佈基板方法 15 3.1.4爐管使用方法 16 3.2實驗規劃與流程 16 3.3實驗設備簡介 18 第四章 結果與討論 25 4.1不同退火溫度對AZO透明導電膜的影響 25 4.1.1表面型態分析 25 4.1.2晶體結構分析 28 4.1.3光學特性分析 31 4.1.4光學能隙分析 33 4.1.5電性分析 36 4.2不同熱處理退火模式對AZO透明導電膜的影響 41 4.2.1表面型態分析 42 4.2.2晶體結構分析 44 4.2.3光學特性分析 48 4.2.4光學能隙分析 51 4.2.5電性分析 52 4.3退火降溫速度對AZO透明導電膜的影響 57 4.3.1表面型態分析 57 4.3.2晶體結構分析 60 4.3.3光學特性分析 63 4.3.4光學能隙分析 65 4.3.5電性分析 66 第五章 結論 71 參考資料 7