不同襯底對NiO薄膜結構和光透過性能的影響

王玉新， 臧谷丹， 陳苗苗， 崔瀟文， 劉 奇

(遼寧師范大學 物理與電子技術學院，遼寧 大連 116029)

不同襯底對NiO薄膜結構和光透過性能的影響

王玉新， 臧谷丹， 陳苗苗， 崔瀟文， 劉 奇

(遼寧師范大學 物理與電子技術學院，遼寧 大連 116029)

采用溶膠-凝膠旋涂法分別以玻璃和ITO為襯底，制備出具有較高光透過性能的NiO薄膜.進而利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、薄膜測厚儀和紫外-可見分光光度計(UV-VIS)分別表征了NiO薄膜的晶粒結構、表面形貌、薄膜厚度及光透過性能，并計算了薄膜的光學帶隙值.結果表明：不同的襯底對NiO薄膜的結構和光透過性能具有一定的影響；在玻璃襯底上制備的NiO薄膜晶粒尺寸大小均一且沿NiO(200)擇優(yōu)生長，而在ITO襯底上制備的NiO薄膜晶粒尺寸較小且薄膜厚度較薄.兩者在可見光范圍內的平均透過率均達到80%左右，但在ITO襯底上制備的NiO薄膜在500 nm左右有明顯的吸收現(xiàn)象.并且在玻璃襯底上制備的NiO薄膜光學帶隙值達到3.95 eV.

NiO薄膜；溶膠-凝膠法；襯底；表面形貌；透過率

p型半導體NiO其室溫下禁帶寬度在3.6～4.0 eV之間，是一種具有3d電子結構的過渡金屬氧化物[1]，它不但具有優(yōu)異的光學、電學、化學和磁學性能[2]，并且其原料豐富、成本低廉、對環(huán)境污染小[3-4],因而在許多領域有著廣泛應用，尤其是在電致變色材料、超級電容器，氣體傳感器等方面NiO顯示出其廣闊的應用前景[5-7].當前透明氧化物半導體在光電領域被人們寄予更高的期望，NiO更是作為天然p型導電材料受到廣泛關注[8].研究人員在制備NiO薄膜的過程中，通過改變退火溫度、溶膠濃度及摻雜元素等工藝參數(shù)，研究了不同工藝參數(shù)對NiO薄膜性能的影響[9-11]，而研究不同襯底上制備NiO薄膜的相關文獻較少，因此研究襯底對NiO薄膜性能的影響具有重要的意義.

NiO薄膜的制備方法一般有磁控濺射法[12]、原子層沉積法[13]、噴霧熱解法[14]、金屬有機化學氣相沉積法[15]、溶膠-凝膠法[16]等.其中，溶膠-凝膠法所需的設備造價便宜，操作簡便，可重復性強，而且制造的薄膜均勻性好，便于摻雜，能夠批量生產(chǎn)和大面積涂層而被廣泛采用[17-20].所以，本文選用溶膠-凝膠法制備了NiO薄膜，并研究了襯底對NiO薄膜結構、光透過率及光學帶隙的影響.

1 實 驗

在乙二醇甲醚(CH3OCH3CH2OH)溶液中加入乙酸鎳(Ni(CH3COO)2·4H2O)配制成0.3 mol/L的前驅體液，再加入乙醇胺(C2H7NO)作為穩(wěn)定劑.在60 ℃恒溫下磁力攪拌30 min，形成淺綠色透明均勻溶膠，并靜置24 h后備用.

采用溶膠-凝膠旋涂法分別在玻璃和ITO襯底上制備NiO薄膜，先在100 ℃下低溫預處理10 min，冷卻至室溫后，再重復旋涂2次，最后將樣品500 ℃下進行高溫熱處理30 min.取樣品進行測試.

選用X射線衍射多晶衍射儀(型號為Rigaku D/max-rB Cu Kα)、SU8000型掃描電子顯微鏡、UV4501S型紫外-可見分光光度計(UV-VIS)、SGC-10型號薄膜測厚儀對所制備樣品的結構、表面形貌、光透過性能及薄膜厚度進行表征和分析.

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1為兩個樣品的XRD圖譜.從圖中可以看出，玻璃襯底的樣品在43.811°處出現(xiàn)NiO(200)衍射峰，而ITO襯底的樣品沒有衍射峰出現(xiàn)，呈現(xiàn)非結晶態(tài).出現(xiàn)上述情況的原因為相同條件下，NiO薄膜與玻璃襯底的晶格匹配得當，而與ITO襯底不能很好地結合在一起，因此在ITO襯底上生長形成的薄膜的晶粒尺寸較小；另一方面，溶膠在不同襯底上的附著能力不同，在玻璃襯底上的附著能力強于在ITO襯底上，因此在相同的勻膠和布膠的轉速下，玻璃襯底上附著的溶膠較多，經(jīng)過高溫熱處理后形成的薄膜較厚且晶粒尺寸較大，因而出現(xiàn)的衍射峰強度較明顯；而在ITO襯底上附著能力較弱，其表面附著的溶膠較少，在向心力的作用下旋涂的不均勻，形成的薄膜成不定形態(tài)即非結晶態(tài).

圖1 不同襯底上的NiO薄膜的XRD圖Fig.1 XRD patterns of the NiO thin films on different substrates

2.2 SEM分析

將兩個樣品進行掃描電子顯微鏡拍照，其SEM照片如圖2所示.

圖2 不同襯底上的NiO薄膜的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image of the NiO thin films on different substrates

圖2中a和b分別為2個樣品的表面形貌.觀察照片a，在玻璃襯底上生長的樣品其表面較為平整光滑且晶粒尺寸大小均一、晶化程度適中；從照片b中可以觀察到在ITO襯底上生長的樣品，其薄膜比較疏松且空隙較多，形成的薄膜較薄晶粒尺寸較小，有的地方?jīng)]有顆粒的生長，因此在進行XRD測試時ITO襯底上生長的樣品并沒有出現(xiàn)相應的衍射峰,其SEM照片右上方顏色較深的部分是由于此處幾乎沒有形成NiO薄膜，而是進行測試時所噴的金離子覆蓋在了襯底上,可見薄膜分布不均勻，猜測其薄膜厚度較薄.將2個樣品以同樣的手段進行薄膜厚度的測試，在進行薄膜的膜厚測量時，由于考慮到Sol-Gel旋涂法所制備的薄膜均勻程度不同，因此測量膜厚時選取了不同的點來進行測量.如圖3選取點示意圖所示.

圖3 選取點示意圖Fig.3 The diagram of select point

測量時選取點的選取方法為：在濾紙上畫出與2 cm×2 cm的襯底大小相同的正方形并以對角線交點為圓心，分別以0.5 cm、1 cm為半徑做同心圓，做一條經(jīng)過圓心的射線與同心圓的交點自左向右記為1、2、3、4、5，則這5個點為所選取的點.分別測出這5個點所在位置的膜厚，然后計算出平均值即為該溶膠濃度下制備的薄膜膜厚.測得薄膜厚度如表1所示.

表1 不同樣品的薄膜厚度

從表1中可看出，ITO襯底生長的樣品的薄膜厚度不均勻，不同選取點薄膜厚度差異較大，且平均薄膜厚度僅為117.5 nm，而玻璃襯底上生長的樣品其平均薄膜厚度為146.2 nm，因此驗證了從SEM照片上觀察后的猜測.

2.3 紫外可見透過光譜及光學帶隙分析

圖4為兩個樣品的紫外-可見透射光譜圖.圖4中a和b分別為玻璃襯底和ITO襯底，從圖中看到2個樣品在可見光范圍內的平均透過率均達到80%左右.結合2個樣品的表面形貌分析發(fā)現(xiàn)，雖然ITO襯底上制備的NiO薄膜的平均薄膜厚度較薄，但是該樣品在可見光范圍內的平均透過率并沒有明顯高于玻璃襯底上的NiO薄膜，并且在500 nm左右有明顯吸收的情況，這可能是由于薄膜厚度不均勻造成的影響，與其SEM照片的猜測相符合，且有吸收邊發(fā)生紅移的現(xiàn)象，這可能是由于溶膠與襯底不能緊密匹配所導致的.

根據(jù)測得薄膜的平均厚度和光透過率數(shù)據(jù)，繪制出兩個樣品的 (αhγ)2～hγ關系曲線.如圖5所示.

圖4 不同襯底上的NiO薄膜的紫外-可見透射光譜圖Fig.4 The transmission spectra of the NiO thin filmson different substrates

圖5 不同襯底上的NiO薄膜的(αhγ)2～hγ關系曲線Fig.5 The (αhγ)2～hγ plot of the NiO thin films on different substrates

圖5為兩個樣品的(αhγ)2～hγ關系曲線.圖5中a和b分別為玻璃襯底和ITO襯底樣品的(αhγ)2～hγ關系曲線，分別做出2條曲線的切線與橫坐標的截距即為兩個樣品的光學帶隙值，分別為3.95 eV和3.85 eV.相同條件下，在ITO襯底上制備的NiO薄膜的光學帶隙值比在玻璃襯底上所制備的薄膜的光學帶隙值小0.1 eV左右.結合2個樣品的紫外-可見透射光譜圖分析可知，ITO襯底上生長的樣品的吸收邊發(fā)生紅移促使其光學帶隙值變小.

3 結 論

采用溶膠-凝膠法以溶膠濃度為0.3 mol/L，分別在玻璃襯底和ITO襯底制備了NiO薄膜，通過將2個樣品的XRD圖譜、SEM照片、紫外-可見透射光譜圖和(αhγ)2～hγ關系曲線綜合分析發(fā)現(xiàn)，不同的襯底上制備的NiO薄膜所具備的性質不同，這主要是由于溶膠在不同襯底上的附著能力不同所導致的，所以制備的薄膜結構性質、表面形貌有所不同.其中,在玻璃襯底上制備的NiO薄膜晶化程度較強、表面平整且致密、具有較高的光透過性能和較寬的光學帶隙值.

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StructureandtransmissionpropertiesofNiOfilmsondifferentsubstrates

WANGYuxin，ZANGGudan，CHENMiaomiao，CUIXiaowen，LIUQi

(School of Physics and Electronic Technology, Liaoning Normal University， Dalian 116029， China)

NiO films with high light transmission on the glass substrate and the ITO substrate were successfully synthesized by sol-gel method.The crystal structural，surface morphology，film thickness and optical transmission spectra of samples were measured by XRD，SEM，Spectra Thick Series and UV-VIS，respectively.And their optical band gap values were calculated .The experimental results indicate that the NiO films on the different substrates had different structure and optical transmission.The grain sizes of NiO films synthesized on the glass substrates are uniform with preferred growth of NiO(200) axis.But the grain sizes of NiO films synthesized on the ITO substrate are smaller and the thickness of films is thinner.The average transmittances in the visible range of NiO thin films are both around 80%，but the NiO films on the ITO substrate has an absorption phenomenon at around 500nm.Meanwhile，the optical band gap width of the sample that is deposited on glass substrates is larger and reaches to 3.95 eV.

NiO thin films；sol-gel spin-coating；substrate；surface morphology；transmittance

O484.1

A

2017-05-03

遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015292)

王玉新(1974- )，女，遼寧遼陽人，遼寧師范大學副教授，博士.E-mail:yuxinwang178@sina.com

1000-1735(2017)04-0462-05

10.11679/lsxblk2017040462