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PLD法制备Nb掺杂ZnO基透明导电薄膜及其性能研究

一、引言

（一）研究背景与意义

在现代光电领域，透明导电氧化物（TCO）薄膜扮演着举足轻重的角色，其在太阳能电池、液晶显示等关键技术中不可或缺。传统的氧化铟锡（ITO）薄膜凭借其出色的光电性能，长期占据着TCO薄膜市场的主导地位。然而，铟元素在地壳中的储量稀少且分布不均，价格昂贵，这在很大程度上限制了ITO薄膜的大规模应用。因此，寻找一种储量丰富、成本低廉且性能优异的替代材料成为了科研人员的研究重点。

ZnO基薄膜作为一种极具潜力的TCO材料，近年来受到了广泛关注。ZnO是一种宽带隙半导体，室温下禁带宽度约为3.37eV，激子结合能高达60meV。其原料丰富、价格低廉、化学稳定性好，并且具有良好的光电性能和压电性能。通过适当的掺杂和工艺调控，ZnO基薄膜的电学性能可以得到显著改善，使其成为替代ITO薄膜的理想候选材料之一。

在ZnO的多种掺杂元素中，Nb由于其特殊的电子结构和化学性质，成为了研究的热点。Nb掺杂可以有效地调控ZnO的电学性能，形成施主能级，增加载流子浓度，从而降低薄膜的电阻率，提高其导电性能。同时，Nb的掺入对ZnO的晶体结构和光学性能影响较小，能够较好地保持ZnO基薄膜在可见光区域的高透过率。

脉冲激光沉积法（PLD）作为一种先进的薄膜制备技术，在制备高质量薄膜方面具有独特的优势。该方法利用高能量的激光脉冲轰击靶材，使靶材表面的原子或分子蒸发并电离，形成等离子体羽辉，然后在衬底表面沉积形成薄膜。PLD法具有成分可控性好、可精确控制薄膜的化学计量比、能够在低温下生长高质量薄膜等优点，为制备高性能的Nb掺杂ZnO基透明导电薄膜提供了新的途径。

本研究旨在通过PLD法制备Nb掺杂ZnO基透明导电薄膜，并系统地研究其结构、形貌、光学和电学性能。通过优化制备工艺参数，深入探究工艺参数对薄膜性能的影响规律，揭示Nb掺杂提升ZnO基薄膜导电性的微观机制，为制备高性能的TCO薄膜提供理论依据和技术支持，推动ZnO基透明导电薄膜在光电领域的实际应用。

（二）国内外研究现状

目前，针对Nb掺杂ZnO薄膜的研究已取得了一定的成果，但主要集中在磁控溅射、溶胶-凝胶等制备方法上。磁控溅射法具有沉积速率高、可大面积制备等优点，能够在较短时间内获得均匀的薄膜，适用于工业化生产，但该方法在精确控制薄膜成分和晶体取向方面存在一定的局限性。溶胶-凝胶法则具有设备简单、成本低、可制备大面积均匀薄膜等优势，且易于实现掺杂和对薄膜微观结构的调控，但制备过程较为复杂，周期长，薄膜的致密性和结晶质量有待提高。

与上述方法相比，PLD法在制备Nb掺杂ZnO薄膜时，在成分均匀性和晶体取向控制上展现出独特的优势。已有研究表明，靶基距、衬底温度、激光能量等工艺参数对薄膜的结晶质量与光电性能有着显著影响。当靶基距过小时，等离子体羽辉中的粒子能量过高，可能导致薄膜表面粗糙，结晶质量下降；而靶基距过大时，粒子在传输过程中能量损失过多，沉积速率降低，薄膜的生长受到抑制。衬底温度对薄膜的结晶过程起着关键作用，适当提高衬底温度有助于原子在衬底表面的迁移和扩散，促进薄膜的结晶，提高晶体质量，但过高的衬底温度可能会引入杂质，影响薄膜的性能。

尽管已有这些研究，但针对PLD法制备Nb掺杂ZnO薄膜的系统参数优化及掺杂机理分析仍不够深入。不同研究之间的实验条件和结果存在差异，尚未形成统一的认识和理论体系。在掺杂机理方面，虽然普遍认为Nb掺杂会引入施主能级，增加载流子浓度，但对于具体的掺杂过程和微观结构变化，以及这些变化如何影响薄膜的光电性能，还需要进一步的深入研究。

（三）研究目标与内容

本研究的主要目标是通过脉冲激光沉积法（PLD）成功制备出具有优异性能的Nb掺杂ZnO基透明导电薄膜，并深入探究其结构、形貌以及光电性能之间的内在联系。

在具体研究内容上，首先，深入探究工艺参数对薄膜性能的影响规律。系统研究靶基距、衬底温度、激光能量等关键工艺参数对Nb掺杂ZnO薄膜结构、形貌及光电性能的影响。通过改变靶基距，观察等离子体羽辉中粒子的传输过程和能量分布对薄膜生长的影响，从而确定最佳的靶基距范围，以获得均匀致密、结晶质量良好的薄膜。研究衬底温度对薄膜结晶过程的影响，分析不同衬底温度下薄膜的晶体结构、晶粒尺寸和结晶取向的变化，确定合适的衬底温度，以提高薄膜的结晶质量和电学性能。探讨激光能量对靶材蒸发和等离子体羽辉形成的影响，研究不同激光能量下薄膜的成分、结构和光电性能的变化，优化激光能量参数，以实现对薄膜性能的有效调控。

其次，揭示Nb掺杂提升导电性的微观机制。运用X射线光电子能谱（