電子與信息技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告

時(shí)間：2024-07-06 14:38:34 開(kāi)題報(bào)告我要投稿

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電子與信息技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告

　　論文題目：疊層透明導(dǎo)電薄膜的制備及其性能研究

　　一、選題背景

　　透明導(dǎo)電薄膜由于具有高透過(guò)率和高導(dǎo)電性而被廣泛應(yīng)用于當(dāng)代科學(xué)與技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域[1,2]，并成為物理電子學(xué)、材料學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)等各種新興交叉學(xué)科的材料基礎(chǔ)。但是，在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)透明導(dǎo)電氧化物之前，人們認(rèn)為在自然界中所有導(dǎo)電的物質(zhì)都是不透明的。直到 1907 年，Badeker[3]打破了人們對(duì)導(dǎo)電物質(zhì)的透明性的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，他發(fā)現(xiàn) CdO 這個(gè)材料不僅導(dǎo)電同時(shí)還是半透明的。而最初這種透明導(dǎo)電氧化物只是用在飛機(jī)的擋風(fēng)玻璃上。之后，薄膜科學(xué)與技術(shù)飛速發(fā)展，在二十世紀(jì)五十年代，人們先后制備出了SnO2基[4]透明導(dǎo)電薄膜和In2O3基透明導(dǎo)電薄膜。為了降低薄膜的成本，在 20 世紀(jì) 80 年代，人們開(kāi)始關(guān)注 ZnO基透明導(dǎo)電薄膜。[5]目前，摻雜型的透明導(dǎo)電薄膜的主體材料主要有 In2O3、ZnO、SnO2、Ga2O3、CdO。其中，應(yīng)用比較廣泛的摻雜體系有 ZnO:Al (AZO)、SnO2:F、SnO2:Sb、In2O3:SnO2(ITO)。[6-13]而透明導(dǎo)電薄膜的制備方法可以分為化學(xué)鍍膜法和物理鍍膜法�；瘜W(xué)鍍膜法主要有等溶膠-凝膠，噴涂熱分解，以及各種化學(xué)氣相沉積;物理鍍膜法主要有各種濺射鍍膜技術(shù)，各種真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，其中包括離子源輔助的電子束熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)。

　　不同的制備方法各有利弊，比如說(shuō)噴涂熱分解法的制備成本低，但制備出的薄膜的性能不夠理想;而目前公認(rèn)的最佳制備透明導(dǎo)電薄膜的磁控濺射法，雖然其工藝已經(jīng)非常成熟，并且可以生產(chǎn)商業(yè)化的 ITO，但是也存在著成本高，效率低等缺點(diǎn)。目前，除了建筑和節(jié)能窗戶外，透明導(dǎo)電薄膜主要應(yīng)用在顯示和太陽(yáng)能電池方面。[1]作為有機(jī)光電器件中的電極材料，透明導(dǎo)電薄膜在市場(chǎng)上也有著巨大的需求量。迄今為止，應(yīng)用最廣泛的是 ITO 透明導(dǎo)電薄膜，同時(shí)它也是最早應(yīng)用在有機(jī)光電器件當(dāng)中的透明導(dǎo)電薄膜。[29]但 ITO 中的銦是一種稀有元素，隨著對(duì)薄膜需求量的增加，銦價(jià)格上漲的同時(shí)還面臨著耗盡的威脅。而且隨著科技的快速發(fā)展，ITO 透明導(dǎo)電薄膜作為透明電極已經(jīng)不能滿足日新月異的光電器件的發(fā)展需求，比如人們希望透明導(dǎo)電薄膜的制備成本可以更低，在作為光電器件的載流子注入電極時(shí)，它的功函數(shù)是可控的等等。這些要求 ITO 已經(jīng)不能夠滿足，因此，研發(fā)新型高性能實(shí)用化的透明導(dǎo)電薄膜有著重要的意義和價(jià)值。近年來(lái)報(bào)道了一些可作為 ITO 替代品的電極，例如碳納米管[30-33]、石墨烯[34-37]、導(dǎo)電聚合物[38-40]、金屬薄膜[41]、金屬納米線[42-44]，以及金屬網(wǎng)格[45]等等。這些電極都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在光電性質(zhì)及其穩(wěn)定性、生產(chǎn)工藝等方面仍面臨不少問(wèn)題需要解決，相信隨著研究的不斷深入，若干種材料的性能將逐漸完善，并進(jìn)入實(shí)用化階段。而現(xiàn)階段研制出新型具有良好光電性能的透明導(dǎo)電薄膜仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

　　二、研究目的和意義

　　介質(zhì)/金屬/介質(zhì)(Dielectric/Metal/Dielectric, DMD)疊層透明導(dǎo)電薄膜是新型無(wú)銦透明導(dǎo)電薄膜之一，這種導(dǎo)電薄膜可以通過(guò)調(diào)節(jié)金屬兩側(cè)介質(zhì)的厚度來(lái)調(diào)節(jié)薄膜的透過(guò)率，使其在獲得高電導(dǎo)率的同時(shí)在可見(jiàn)光區(qū)域具有高透過(guò)率。而且，這種薄膜的制備工藝簡(jiǎn)單，不需要加高溫，可選擇的材料范圍也很廣，并不僅僅限制于幾種材料。[2,46-48]DMD 薄膜雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些需要解決的問(wèn)題，比如它的導(dǎo)電機(jī)理尚不明確，作為電極和相鄰的有機(jī)層之間還存在一定的界面問(wèn)題等。這些方面都需要相關(guān)研究者做進(jìn)一步的研究工作。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　隨著透明導(dǎo)電薄膜的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的新型的透明導(dǎo)電薄膜出現(xiàn)在人們面前，按照薄膜的組成成分和組成結(jié)構(gòu)，我們將透明導(dǎo)電薄膜大致可分為以下幾類：透明導(dǎo)電金屬薄膜、透明導(dǎo)電氧化物薄膜、疊層透明導(dǎo)電薄膜、聚合物導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電性粒子分散介電體、透明導(dǎo)電化合物薄膜、新型納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)電薄膜。

　　金屬薄膜(如 Au、Cu、Ag、Al 等)由于自由載流子濃度高(1020cm-3以上)，所以它具有很好的導(dǎo)電性。但同時(shí)也因?yàn)檩d流子濃度高，金屬薄膜是紅外光和可見(jiàn)光的反射體，等離子體頻率分布在近紫外光區(qū)，所以它在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)透過(guò)率不是很好。如果想提高可見(jiàn)光區(qū)域的透過(guò)率，就需要將金屬薄膜做得很薄(<20nm)。金屬薄膜厚度在 10 nm 左右時(shí)光電性能最好，但薄膜是島狀結(jié)構(gòu)，為了提高薄膜的成膜性，人們?cè)诨咨襄円粚友趸�，比�?SiO2、Al2O3等，但這樣受到雜質(zhì)和表面效應(yīng)的影響薄膜的電阻率變大了。因此很難制備出連續(xù)的且光電性能良好的金屬薄膜。除此之外，金屬薄膜易受外界環(huán)境的影響，且強(qiáng)度低�？傊�，金屬薄膜的缺點(diǎn)很多，但最突出的優(yōu)點(diǎn)就是電阻率小。表 1.2 為常見(jiàn)的金屬膜的材料性能。

　　氧化銦是一種白色或淡黃色的物質(zhì)，它的晶體結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示，是立方錳鐵礦結(jié)構(gòu)，又叫做稀土氧化物結(jié)構(gòu)，它是由四個(gè) In 原子和六個(gè) O 原子組成的原胞，圖中紫色的球代表 In 原子，紅色的球代表 O 原子，六個(gè) O 原子位于立方體的頂角，留下兩個(gè)氧空位，而氧空位是一種點(diǎn)缺陷。一個(gè)完整的氧化銦晶胞是由80 個(gè)原子組成的，它的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜。通過(guò)光學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了氧化銦的直接躍遷禁帶寬度是在 3.55 eV-3.75 eV，在可見(jiàn)光區(qū)域的透過(guò)率在 85%左右，此外，In2O3具有較高的施主雜質(zhì)濃度(>1019cm-3)和霍爾遷移率(>50 cm2·V-1·s-1)。氧化銦光電性能可以通過(guò)用高價(jià)陽(yáng)離子或者低價(jià)陰離子替位的方法來(lái)提高。常見(jiàn)的摻雜元素有 Sn、Mo、F、Ti 等，其中 In2O3: Sn (ITO)的性能最好，已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的透明導(dǎo)電薄膜。

　　四、本文研究的主要內(nèi)容及研究框架

　　(一)本文研究的主要內(nèi)容

　　研制出具有良好光電性能的柔性低成本的新型透明電極是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。本論文針對(duì)這一難題展開(kāi)了研究，分別用疊層透明導(dǎo)電薄膜制備了高功函數(shù)的陽(yáng)極和低功函數(shù)的陰極，并分別以它們?yōu)殡姌O成功制備了有機(jī)太陽(yáng)能電池，具體的工作內(nèi)容如下：

　　(1) 首次用 NiO 這一材料制備 DMD 疊層結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜，研究 Ag 兩側(cè)的NiO 厚度對(duì) NiO/Ag/NiO (NAN)薄膜光電性能的影響，同時(shí)研究 NAN 薄膜的環(huán)境穩(wěn)定性和溫濕度穩(wěn)定性。此外，用 NAN 作為陽(yáng)極，PEDOT:PSS 作為陽(yáng)極界面緩沖層，制備正置結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池。

　　(2) 在 PET 上制備高柔韌性、高穩(wěn)定性的 PET/NAN 柔性電極，并進(jìn)一步采用紫外臭氧(UVO)輻照方式，顯著提高 NAN 電極的功函數(shù)。除此之外，分別用 NAN 和 ITO 為陽(yáng)極，制備柔性太陽(yáng)能電池，研究以 NAN 和 ITO 為電極的柔性太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。

　　(3) 用末端離子源輔助的電子束熱蒸發(fā)方法制備 SnOx/Ag/SnOx(SAS)疊層結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜，研究 Ag 兩側(cè)的 SnOx厚度對(duì) SAS 薄膜光電性能的影響。除此之外，用 SAS 作為陰極，ZnO 作為陰極界面緩沖層，制備倒置結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池。

　　(4) 首次用超薄 Bi2O3修飾 SAS，制備高性能低功函數(shù)疊層透明導(dǎo)電薄膜SnOx/Ag/SnOx/Bi2O3(SASB)。最后，以 SASB 為陰極制備倒置結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池。

　　(二)本文研究框架

　　六、本文研究進(jìn)展(略)

　　七、參考文獻(xiàn)

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