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博碩士論文 etd-0710102-184144 詳細資訊
Title page for etd-0710102-184144
論文名稱
Title
以超音波霧化法製備之銻及鉭摻雜氧化錫薄膜之光電特性
Electro-optical properties of Sb and Ta doped SnO2 thin films derived from an ultrasonic atomization process
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
120
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2002-07-05
繳交日期
Date of Submission
2002-07-10
關鍵字
Keywords
二氧化錫、溶膠-凝膠、銻、化學霧氣沈積法、熱解、鉭、透明導電薄膜
Transparnet conductive film, Sb, Tin oxide, Sol-gel, pyrolysis, ATO, Ta, CMD
統計
Statistics
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中文摘要
本研究採用超音波鍍膜系統。以SnCl4.5H2O, SbCl3, and TaCl4 為溶質,乙醇為溶劑。配置不同Sn4+濃度的溶液、不同Sb/Sn原子比的溶液、不同Ta/Sn原子比的溶液。藉由震盪頻率1.65MHz之超音波裝置的強烈震盪以產生霧氣,霧氣則藉由氮氣的流動,攜帶至已加熱的基材(康寧7059玻璃 )上,因此霧氣可被熱分解。由於此熱解反應,SnO2-x薄膜則就被沈積在基材上了。
實驗包含了六個系列:Sn4+濃度系列、Sb-摻雜系列、Ta-摻雜系列、溫度系列、時效時間系列、霧化率系列。使用XRD、UV-Visible、SEM、Hall-measurement去分析SnO2-x薄膜,然後由這六個系列的分析中,去得到最佳的鍍膜條件。
無時效之溶液的薄膜沈積速率比時效過後之溶液快。溶液霧化率為1.6ml/min時,基材溫度為450 oC,製得未摻雜其他元素之二氧化錫薄膜之電阻率可達2.364×10-2Ω-cm,可見光最大穿透率為78.7%。溶液內Sb/Sn原子比為2%時,基材溫度為525 oC,製得之摻雜Sb的二氧化錫薄膜之電阻率達2.77×10-3Ω-cm,可見光最大穿透率為71%。溶液內Ta/Sn原子比為0.1%時,基材溫度為450 oC,製得之摻雜Ta的二氧化錫薄膜之電阻率達3.917×10-2Ω-cm,可見光最大穿透率為85%。
在本研究內,由超音波霧化法製得摻雜Sb和Ta之二氧化錫薄膜,藉由其特性之鑑定,去詳細地描述和討論其光電性質。


Abstract
The thin film deposition system using ultrasonic nebulization was adopted in this study. SnCl4.5H2O, SbCl3, and TaCl5 were used as solutes. Ethanol was used as the solvent. Solutions of different Sn4+ concentration, Sb concentration (Sb/Sn atomic ratio) in Sn, and Ta concentration (Ta/Sn atomic ratio) in Sn were mixed. The mist was generated from a solution by the agitation of an ultrasonic device operating at about 1.65MHz. The mist was carried to the heated substrate (corning 7059 glass) by the flow of nitrogen gas so that it was decomposed by heat. SnO2-x films were deposited on the substrate due to the pyrolysis reaction.
The experiment included six series: Sn4+ concentration series, Sb-doping series, temperature series, Ta-doping series, aging time series and nebulization rate series. SnO2-x films were analyzed by XRD, UV-Visible, SEM, and Hall-measurement. The optimum deposition conditions were obtained through analyses of these six series.
The film deposition rate of nonaged solution was faster than aged solution. When the nebulization rate of solution was 1.6 ml/min, the resistivity of undoped SnO2 film obtained with the substrate kept at 450 oC is 2.364×10-2Ω-cm and the maximum transmittance of the visible light is 78.7%. When Sb/Sn atomic ratio in the solution was 2%, the resistivity of Sb doped SnO2 film obtained with the substrate kept at 525 oC is 2.77×10-3Ω-cm and the maximum transmittance of the visible light is 71% . When Ta/Sn atomic ratio in the solution was 0.1%, the resistivity of Ta doped SnO2 film obtained with the substrate kept at 450 oC is 3.917×10-2Ω-cm and the maximum transmittance of the visible light is 85%
In this study, the electro-optical properties of Sb and Ta doped SnO2 thin films derived from an ultrasonic nebulization process were reported and discussed carefully through film characterizations.


目次 Table of Contents
摘要 Ⅰ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅹ
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 3
2.1 二氧化錫晶體結構 3
2.2 超音波霧化原理 7
2.3 薄膜光學 8
2.3.1薄膜干涉原理 8
2.3.2利用UV穿透光譜反求薄膜厚度 10
2.4 Hall measurement 原理 13
2.5 薄膜之顏色 15
2.6 ATO薄膜之電性最佳轉折點 18
2.7 相圖 22
第三章 實驗方法與步驟 27
3.1 超音波霧化裝置 29
3.2 準備基材 29
3.3 準備溶膠(sol) 30
3.4 鍍膜條件設定 31
3.5 薄膜分析儀器 32
3.6 摻雜雜質的理論載子濃度之模擬計算 36
3.7 二氧化錫薄膜和基材之間的溫度應變之計算 37
3.8 二氧化錫薄膜之孔隙度之量測 38
3.9 溶液之表面能量測之量測 38
3.10 超音波霧滴和粉粒大小之估計 39


第四章 實驗結果 40
4.1 C系列 40
4.1.1 XRD 40
4.1.2 穿透光譜 41
4.1.3 SEM 44
4.1.4 Hall measurement 49
4.1.5 EDS 50

4.2 Sb-D系列 51
4.2.1 XRD 51
4.2.2 穿透光譜 52
4.2.3 SEM 55
4.2.4 Hall measurement 59
4.2.5 TEM 60
4.3 T系列 63
4.3.1 XRD 63
4.3.2 穿透光譜 65
4.3.3 SEM 67
4.3.4 Hall measurement 72
4.3.5 ESCA 73
4.4 Ta-D系列 75
4.4.1 XRD 75
4.4.2 穿透光譜 76
4.4.3 SEM 79
4.4.4 Hall measurement 83
4.5 時效 系列 85
4.5.1 XRD 85
4.5.2 穿透光譜 85
4.5.3 SEM 88
4.5.4 Hall measurement 91
4.6 霧化率系列 92
4.6.1 XRD 92
4.6.2 穿透光譜 93
4.6.3 SEM 95
4.6.4 Hall measurement 100
4.6.5 EDS 102
4.7 薄膜顏色 102

第五章 討論 103
5.1 C系列 103
5.2 Sb-D系列 105
5.3 T系列 107
5.4 Ta-D系列 110
5.5 時效系列 111
5.6 霧化率系列 112
第六章 結論 114
第七章 未來工作與建議 116
參考文獻 117
圖目錄
圖2-1 二氧化錫的單位晶胞結構(a) 3
圖2-1 二氧化錫的單位晶胞結構(b) 4
圖2-2 理想SnO2之繞射圖 5
圖2-3-1 入射光與反射光之示意圖 8
圖2-3-2反射波與入射波之相圖 9
圖2-3-3 為光穿透若吸收薄膜的示意圖 10
圖2-3-3光之干涉現象之封包線圖 10
圖2-4-1Hall measurement架構圖 13
圖2-5-1 XPS光譜圖 16
圖2-6-1 AES光譜圖 21
圖2-7-1 Sn-O之相圖 24
圖2-7-2 Sb-O之相圖 25
圖2-7-3 Ta-O之相圖(A) 25
圖2-7-3 Ta-O之相圖(B) 26
圖3-1 不同濃度系列的實驗流程圖 27
圖3-2 不同溫度、時間、摻雜量系列的實驗流程圖 28
圖3-1-1超音波霧化裝置 29
圖 3-5-1. 製作截面之試片之流程圖 33
圖3-5-2 電性試片之接角圖 34
圖3-5-3 電壓-電流曲線圖 35
圖4-1-1. 不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜XRD繞射圖 40
圖4-1-2. 不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜d110值 41
圖4-1-3. 不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜穿透光譜 42
圖4-1-4. 不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜可見光穿透光譜 42
圖4-1-5. 不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜之能隙圖 43
圖4-1-6.典型的SnO2薄膜在SEM截面觀察之厚度影像 44
圖.4-1-7. 0.1M SnCl4溶液濃度之表面觀察 46
圖.4-1-8. 0.2M SnCl4溶液濃度之表面觀察 46
圖.4-1-9. 0.3M SnCl4溶液濃度之表面觀察 47
圖.4-1-10. 0.4M SnCl4溶液濃度之表面觀察 47
圖.4-1-11. 0.5M SnCl4溶液濃度之表面觀察 48
圖.4-1-12.不同的SnCl4溶液濃度與電性之關係圖 49
圖4-2-1 不同Sb/Sn原子比的SnO2薄膜XRD繞射圖 51
圖4-2-2 不同Sb/Sn原子比的SnO2薄膜d110值 52
圖4-2-3 不同Sb/Sn原子比的SnO2薄膜穿透光譜圖 51
圖4-2-4 不同Sb/Sn原子比的SnO2薄膜可見光穿透光譜圖 53
圖4-2-5 不同Sb/Sn原子比的SnO2薄膜之能隙 54
圖.4-2-6. 溶液內Sb/Sn at.為0% 時之表面觀察 56
圖.4-2-7. 溶液內Sb/Sn at.為2% 時之表面觀察 56
圖.4-2-8. 溶液內Sb/Sn at.為4% 時之表面觀察 57
圖.4-2-9. 溶液內Sb/Sn at.為6% 時之表面觀察 57
圖.4-2-10. 溶液內Sb/Sn at.為8% 時之表面觀察 58
圖.4-2-11. 溶液內Sb/Sn at.為10% 時之表面觀察 58
圖4-2-12. 溶液內不同Sb/Sn at.與導電性質之關係 59
圖4-2-13. Sb/Sn at.為0%之TEM明視野影像圖 60
圖4-2-14. Sb/Sn at.為0%之選區繞射圖 61
圖4-2-15. Sb/Sn at.為0%之選區繞射圖 61
圖4-3-1 Sb/Sn at.為2%,不同溫度下之XRD繞射圖 63
圖4-3-2 Sb/Sn at.為2%,400 oC下製得之SnO2薄膜XRD繞射圖 64
圖4-3-3.Sb/Sn at.為2%,不同溫度下製得之SnO2薄膜的d110值 64
圖4-3-4. 不同溫度下製得ATO薄膜之穿透光譜圖 65
圖4-3-5.不同溫度下製得ATO薄膜可見光光譜圖 66
圖4-3-6 Sb/Sn at.為2%,不同溫度下製得ATO薄膜之能隙 66
圖.4-3-7. 溶液內Sb/Sn at.為2%, 350oC時之表面觀察 68
圖.4-3-8. 溶液內Sb/Sn at.為2%, 400oC時之表面觀察 68
圖.4-3-9 溶液內Sb/Sn at.為2%, 425oC時之表面觀察 69
圖.4-3-10 溶液內Sb/Sn at.為2%, 450oC時之表面觀察 69
圖.4-3-11 溶液內Sb/Sn at.為2%, 475oC時之表面觀察 70
圖.4-3-12 溶液內Sb/Sn at.為2%, 500oC時之表面觀察 70
圖.4-3-13 溶液內Sb/Sn at.為2%, 520oC時之表面觀察 71
圖.4-3-14 溶液內Sb/Sn at.為2%, 550oC時之表面觀察 71
圖4-3-15.溶液內Sb/Sn at.為2%,不同溫度與導電性質之關係 72
圖4-3-16. ESCA對氯原子之分析從190ev慢掃至220ev之分析圖 74
圖4-4-1 不同Ta/Sn原子比的SnO2薄膜XRD繞射圖 75
圖4-4-2 不同Ta/Sn原子比的SnO2薄膜d211值 76
圖4-4-3 不同Ta/Sn原子比的SnO2薄膜穿透光譜圖 77
圖4-4-4 不同Ta/Sn原子比的SnO2薄膜可見光光譜圖 77
圖4-4-5不同Ta/Sn原子比的SnO2薄膜之能隙圖 78
圖4-4-6. 溶液內Ta/Sn at.為0% 時之表面觀察 80
圖4-4-7. 溶液內Ta/Sn at.為0.1% 時之表面觀察 80
圖4-4-8. 溶液內Ta/Sn at.為0.5% 時之表面觀察 81
圖4-4-9. 溶液內Ta/Sn at.為1% 時之表面觀察 81
圖4-4-10. 溶液內Ta/Sn at.為2% 時之表面觀察 82
圖4-4-11 溶液內Ta/Sn at.為0% 時之表面觀察 82
圖4-4-12 溶液內不同Ta/Sn at.與導電性質之關係 83
圖4-5-1 溶液不同時效時間之的SnO2薄膜XRD繞射圖 85
圖4-5-2 溶液不同時效時間的SnO2薄膜穿透光譜圖 86
圖4-5-3 溶液不同時效時間的SnO2薄膜可見光光譜圖 86
圖4-5-4 溶液不同時效時間的SnO2薄膜能隙圖 87
圖.4-5-5. 溶液時效10min之表面觀察 89
圖.4-5-6. 溶液時效2 week之表面觀察 90
圖.4-5-7. 溶液時效8 week之表面觀察 90
圖4-5-8. 溶液不同時效時間與導電性質之關係 91
圖4-6-1 溶液不同霧化率製得之SnO2薄膜XRD繞射圖 92
圖4-6-2 溶液不同霧化率製得之SnO2薄膜d200值 93
圖4-6-3溶液不同霧化率的SnO2薄膜穿透光譜圖 94
圖4-6-4溶液不同霧化率的SnO2薄膜光譜圖 94
圖4-6-5溶液不同霧化率的SnO2薄膜之能薄膜之能隙圖 95
圖4-6-6,為溶液霧化率與薄膜成長率之關係圖 96
圖.4-6-7. 霧化率為1.2ml/min之表面觀察 97
圖.4-6-8. 霧化率為1.25ml/min之表面觀察 98
圖.4-6-9. 霧化率為1.35ml/min之表面觀察 98
圖.4-6-10. 霧化率為1.6ml/min之表面觀察 99
圖.4-6-11. 霧化率為1.8ml/min之表面觀察 99
圖.4-6-12. 霧化率為2.3ml/min之表面觀察 100
圖4-6-13. 溶液不同霧化率.與導電性質之關係 101
圖4-6-14 霧化率1.6ml/min之EDS分析圖 102
圖4-7-1 薄膜之顏色變化圖 102
圖5-1入波與反射波之光相圖 104
圖5-2 不同溫度與薄膜厚度之關係 109

表目錄
表2-1-1 SnO2之JCPDS 21-1250卡 6
表2-1-2 SnO2之JCPDS 46-1088卡 6
表2-5-1 ATO之光電性質 15
表2-6-1 [Sb/Sn] %at.轉折點之一列表 19
表3-1-1 實驗所使用之藥品之列表 31
表3-6-1 ATO理想載子濃度之列表 36
表3-9-1 室溫為20 oC之溶液表面能 38
表4-1-1. 不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜2θ和d110值之詳細數據 41
表4-1-2 不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜之能隙之詳細數據 43
表4-1-3. 由穿透光譜所得之不同SnCl4溶液濃度之SnO2薄膜之厚度 44
表4-1-4.不同SnCl4溶液濃度SnO2薄膜SEM截面觀察之厚度一覽表 45
表4-1-5. 不同溶膠(SOL)的濃度與電性之詳細實驗數 50
表4-1-6 不同溶膠(SOL)的濃度之EDS對氯和錫分析的詳細數據 50
表4-2-1 不同Sb/Sn原子比的SnO2薄膜2θ和d110值之詳細數據 52
表4-2-2 不同Sb/Sn原子比的SnO2薄膜energy gap之詳細數據 54
表4-2-3. 不同Sb/Sn at.之SnO2薄膜SEM截面觀察之厚度一覽表 55
表4-2-3. 溶液內不同Sb/Sn at.與電性之詳細實驗數據 60
表4-2-4 . Sb/Sn at.為0%之選區繞射環之詳細數據 62
表4-3-1 不同溫度下ATO薄膜2θ和d110值之詳細數據 65
表4-3-2 不同溫度下製得ATO薄膜之能隙之詳細數據 67
表4-3-3.為不同溫度之SnO2薄膜SEM截面觀察之厚度一覽表 67
表4-3-4.則為不同溫度與電性之詳細實驗數據 73
表4-3-5. ESCA對Sn慢掃所得之詳細之資料 73
表4-4-1 不同Ta/Sn原子比的SnO2薄膜2θ和d210值之詳細數據 76
表4-4-2為不同Ta/Sn原子比的SnO2薄膜之能隙之詳細數據 78
表4-4-3.不同Ta/Sn at.之SnO2薄膜SEM截面觀察之厚度一覽表 79
表4-4-4. 溶液內不同Ta/Sn at.與電性之詳細實驗數據 84
表4-5-1溶液不同時效時間之SnO2薄膜之能隙之詳細數據 87
表4-5-2. 溶液不同時效時間之SnO2薄膜SEM截面觀察之厚度覽表 88
表4-5-3. 溶液不同時效時間、移動率和載子濃度之詳細實驗數據 91
表4-6-1溶液不同霧化率SnO2薄膜2θ和d200值之詳細數據 93
表4-6-2. 溶液不同霧化率的SnO2薄膜之能薄膜之能隙之詳細數據 95
表4-6-3.為溶液不同霧化率之SnO2薄膜SEM截面觀察之厚度覽表 96
表4-6-4. 溶液不同霧化率與電性之詳細實驗數據 101
表5-1 C系列之SnO2薄膜之光電性指標 105
表5-2 Sb-D系列之SnO2薄膜之光電性指標 107
表5-3 T系列之SnO2薄膜之光電性指標 110
表5-4 Ta-D系列之SnO2薄膜之光電性指標 111
表5-5 時效系列之SnO2薄膜之光電性指標 112
表5-6 N-系列之SnO2薄膜之光電性指標 113

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