XRD在透明導電氧化物薄膜(TCO)表征分析中的應用

簡介  

透明導電氧化物薄膜(TCO)是指一類具有高導電性、在可見光范圍內并具有很高透明度的重要光電材料。在自然界中，透明的物質通常不導電(如玻璃、水晶等)，而具有導電性或者導電性良好的物質又往往是不透明的(如金屬材料、石墨等)。透明導電氧化 物薄膜打破了傳統的觀念，將透明度與導電性能相結合，成為功能薄膜材料中具有特色的一類薄膜，常見的TCO薄膜主要分為ITO薄膜、AZO薄膜、FTO薄膜、ATO薄膜等，目前已在光伏電池組件、平面顯示器、觸控面板、發光二極管(LEDs)、氣敏傳感器等不同領域獲得了廣泛的應用。

TCO薄膜表征分析

TCO薄膜的物相結構對其產品質量具有決定性作用。通過物相分析，我們可以深入了解TCO薄膜的晶體結構、晶格參數、晶粒大小以及晶體生長的擇優取向等關鍵特性，這些特性與薄膜的光電性能如透明度、導電能力和長期穩定性緊密相關。

X射線衍射（XRD）技術是分析TCO薄膜的關鍵工具，它能夠提供關于薄膜晶體結構和微觀結構的詳盡信息。XRD分析得到的晶格參數、晶粒尺寸和擇優取向等數據，對于FTO薄膜的光電行為和提高其性能穩定性極為重要。通過這些分析，研究人員能夠優化TCO薄膜的制備工藝，從而提升其在各種應用中的性能表現。

• 鑒定TCO薄膜的晶體結構和物相組成。通過分析XRD圖譜中的衍射峰，可以確定FTO薄膜是否為金紅石結構以及是否存在其他相，如四方相或立方相。這些信息有助于了解薄膜的晶體質量，進而影響其導電性和透明度。

• 檢測TCO薄膜的晶格參數，包括晶格常數和晶面間距。這些參數的變化可能與薄膜生長過程中的應力狀態有關，從而影響薄膜的電子特性和機械穩定性。

• 評估TCO薄膜的晶粒尺寸和晶體取向。通過Scherrer公式，可以從衍射峰的寬度計算晶粒尺寸，而衍射峰的相對強度則可以提供晶體擇優取向的信息。這些數據對于優化薄膜的制備工藝和提高其性能具有重要意義。

應用案例

本實驗采用蘇州浪聲科學儀器有限公司的界FRINGE桌面式X射線衍射儀對某公司提供的TCO薄膜樣品的物相結構進行了表征。

（1）制樣

（2）測試參數設置

（3）測試結果與結論

樣品衍射圖譜

經過GIXRD測試，判定該薄膜樣品為FTO（SnO2:F）薄膜，且存在（200）擇優取向。FTO（SnO2:F）薄膜是氟摻雜的二氧化錫(Fluorine-doped Tin Oxide)的簡稱，是一種寬禁帶半導體材料，其主要成分為SnO2，并摻雜了氟元素F。FTO薄膜具有優異的透明性和導電性，這是因為氟原子替代了部分的氧原子，形成了SnO2?xFx結構，從而調節了材料的禁帶寬度和載流子濃度，使得薄膜既透明又導電。FTO薄膜通常呈現四方金紅石型結構，具有高載流子濃度和低電阻率的特性。

SnO2單胞結構

引用文獻：

樊琳, 許珂敬, 史曉慧, 賈雨輝, 張衡, 魏春城. 不同氟源對FTO薄膜性能影響及其作用機理. 材料工程, 2018, 46(9): 59-64.