鋁摻雜氧化鋅（Al:ZnO，AZO）兼具高透明度與高導電性，且組成元素儲量豐富、無毒，適用于多種大面積光電器件。光譜橢偏法通過引入振蕩子模型，可以同時提取薄膜的多個光學和電學參數(shù)，是評估大面積沉積質量的有效手段。

本研究用該方法對沉積在15 cm×15 cm玻璃襯底上的AZO薄膜進行多點測量，獲取方塊電阻和可見光透過率的空間分布。對照測量（分光光度法和四探針法）顯示，可見光透過率與橢偏結果基本一致，但電阻值略高，這一差異源于晶界散射：四探針反映的是跨越晶界的整體輸運，橢偏提取的是晶粒內部的本征參數(shù)。盡管如此，兩類測量給出的空間分布圖高度吻合，證明了橢偏法以單一工具同步表征大面積薄膜光學與電學均勻性的可行性。

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大面積AZO薄膜均勻性及其橢偏表征

ZnO 是一種透明導電氧化物（TCO），在可見光范圍具有高透光率，本征結構電阻率較低。通過引入過量 Zn 或以 III 族元素（Al、Ga、In）替代 Zn 位，可以便捷地實現(xiàn) n 型導電性的提升。其中鋁摻雜尤為受關注：AZO 導電性強，構成元素無毒且儲量豐富，是替代銦錫氧化物（ITO）的理想 TCO 候選材料，可用于可調色濾光器、智能窗和光伏太陽能電池等應用場景。上述應用通常要求可見光透過率 TV = 80%～90%、方塊電阻 Rs = 10～20 Ω/sq，以 Haacke 優(yōu)值系數(shù) Φ = TV1?/Rs 作為不同 TCO 材料的性能比較標準。

AZO 薄膜的制備工藝多樣，涵蓋電沉積、溶膠-凝膠、噴霧熱解、蒸發(fā)和濺射等。直流(DC)磁控濺射的突出優(yōu)勢在于：可在室溫下直接制備透明導電 AZO 層，適用于不耐熱的柔性襯底；而大多數(shù)其他工藝需要高襯底溫度或 300°C 以上的后退火才能獲得高質量材料。此前已有工作系統(tǒng)考察了工藝參數(shù)對室溫 DC 濺射 AZO 薄膜特性的影響規(guī)律。

大面積均勻性是另一項關鍵技術挑戰(zhàn)。常規(guī)表征方案通常需要臺階儀（膜厚）、分光光度計（透過率）和四探針法（方塊電阻）三種手段配合。光譜橢偏法既可用于膜厚的面掃測量，也可通過振蕩子模型同時提取多個光學和電學參數(shù)，具備"一站式"表征的潛力。

本工作在15 cm×15 cm未加熱玻璃襯底上用DC濺射制備了AZO薄膜，采用Drude振蕩子模型與Bruggeman有效介質近似的組合，結合襯底模擬層和頂部粗糙層，從變角度光譜橢偏數(shù)據(jù)中精確提取光學常數(shù)（n、k）和電學參數(shù)（自由載流子濃度、遷移率），并將所得空間分布圖與分光光度法和四探針法的獨立測量結果進行系統(tǒng)對照。

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實驗材料與方法

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AZO薄膜沉積于15 cm × 15 cm × 2 mm鈉鈣玻璃（SLG）襯底上，采用自制真空系統(tǒng)室溫DC磁控濺射。襯底豎直固定于不銹鋼夾具中，在靶材前方掃動。

靶材成分為 98 wt% ZnO + 2 wt% Al?O?（矩形，高 45 cm、寬 13 cm、厚 6 mm）。

腔室本底真空抽至 1 × 10?? Pa 以下，通入高純Ar和O?將工作氣壓設定為 4 × 10?3 Pa，以 1.7 W/cm2 的 DC 功率放電 7 分鐘，所得薄膜厚度為 0.80 ± 0.04 μm（Flexfilm臺階儀測量）。制備目標為 TV ≈ 85%、Rs ≈ 20 Ω/sq，工藝參數(shù)參照前期研究確定。

光學透過率由Flexfilm分光光度計測量（非偏振光、垂直入射）。方塊電阻由Flexfilm四探針測量單元獲取。以上結果均與Flexfilm光譜橢偏儀的提取數(shù)據(jù)進行對照。所有表征均在 15 cm × 15 cm 樣品上以 3 cm 為間距的等距點處逐點進行，以保證空間代表性。

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實驗結果與討論

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光學模型的確定

三個入射角（55°、60°、65°）下橢偏參數(shù)（Ψ、Δ）的實測值（符號）與擬合值（線）對比：虛線為兩層模型，實線為三層模型

在建立 SLG/AZO 系統(tǒng)模型之前，先對裸 SLG 襯底單獨測量和模擬，獲取 nSLG、kSLG 作為基底參數(shù)。

對于 AZO 層，兩層模型（Drude 致密層+Bruggeman 粗糙層，粗糙層視為 AZO 與空洞各 50 vol% 的混合物）擬合給出r2=91 %。進一步將 AZO 層拆分為靠近襯底的第一致密層（AZO1）和第二致密層（AZO2），加上頂部粗糙層（AZO2 + 空洞）構成三層模型，擬合質量提升至r2=96 %。四層模型雖可達到 r2 = 98%，但部分測量點出現(xiàn)了電導率異常偏高（σ > 10? S/cm）的非物理結果，故三層模型為最優(yōu)選擇。模擬光譜從λ = 400 nm起算，因所用模型未包含半導體禁帶以下（約350 nm）的基本光學吸收。

光學常數(shù)

三層模型給出的各層光學參數(shù)（n、k）隨波長的變化曲線

光學參數(shù)分析顯示，在可見光區(qū)（400–800 nm），AZO的折射率 n > 1.7，消光系數(shù) k < 0.02，符合典型透明導電氧化物特性。近紅外區(qū)折射率下降、消光系數(shù)上升，表明自由載流子等離子體反射開始顯現(xiàn)。AZO1的折射率n與消光系數(shù)k 均高于AZO2，說明靠近襯底區(qū)域的薄膜更致密、導電性更優(yōu)，隨著沉積時間延長，薄膜質量略有下降。

電學參數(shù)的提取

Drude振蕩子模型通過等離子體能量EP和展寬EΓ（與散射頻率對應）兩個參數(shù)描述自由載流子導電行為，分別表達各導電層復介電函數(shù)的實部 ε?(E)和虛部 ε?(E)：

進而得到各層的電導率 σ?、自由載流子濃度 N?和遷移率 μ?：

其中ε? = 55.263 × 10? e/Vm，? = 6.582 × 10?1? eV·s，AZO 載流子有效質量取文獻值 m* = 0.25m?。各層方塊電阻由 R?,S = 1/(σ?d?) 計算。

樣品多個等距點處兩個導電層的σ、μ與N的關系散點圖

結果表明載流子遷移率與濃度的N?2/3成正比，電導率與N1/3成正比，符合電離雜質散射機制。這表明橢偏法提供的是晶粒內部的本征電學特性，而電學測量則受晶界勢壘影響，僅能反映可克服勢壘的載流子貢獻。

膜厚的空間分布

三層模型在15 cm×15 cm樣品16個等距點處給出的各層厚度數(shù)據(jù)和總厚度的等高線分布圖

厚度分布分析顯示，總厚度變化約為6 %，在樣品上下邊緣（靠近襯底架）處厚度較大，主要由于AZO2及粗糙頂層增厚所致，表明邊緣區(qū)域表面粗糙度增加。該現(xiàn)象可能與濺射過程中金屬框架對等離子體的反射有關，導致到達邊緣的粒子能量降低、表面擴散受限。

方塊電阻的空間分布與比較

取各層電導率和厚度，按并聯(lián)等效電路計算總的光學方塊電阻：

光學模擬方塊電阻（Rop）和四探針電學方塊電阻（Rel）在樣品上的等高線分布對比圖

在方阻分布方面，光學模擬方阻（Rop）與四探針法測量方阻（Rel）的空間分布趨勢一致，均顯示水平邊緣區(qū)域方阻較高，與該區(qū)域AZO2及粗糙頂層厚度增加、導電性較低的相吻合。

光學電導率（σop，方塊）和電學電導率（σel，圓圈）隨總膜厚的變化和二者之比（三角，右縱軸）

電學測量所得電導率約為650 S/cm，而光學模擬電導率高于900 S/cm，兩者比值σop/σel約1.6，與文獻中晶格電阻與缺陷電阻之比（RDL≈1.6）一致，進一步證實了光學與電學方法在反映載流子輸運機制上的本質差異。

可見光透過率的空間分布與比較

點8（x=13, y=6）和點16（x=13, y=13）處，Ts與Tm的光譜對比，同時附有裸SLG襯底的測量透過率供參考

TVs和TVm在15 cm×15 cm樣品上的等高線分布對比圖

在透過率方面，三層模型模擬全波段透過率光譜（Ts）與分光光度計實測譜（Tm）在近紅外區(qū)高度一致，在可見光區(qū)雖數(shù)值略有差異，但隨點位變化的趨勢完全一致?？梢姽馔高^率分布顯示，上下邊緣區(qū)域透過率略高，與粗糙度增加、散射減弱有關，同時也對應方阻較高的區(qū)域，體現(xiàn)出薄膜光電性能的協(xié)同變化。

優(yōu)值系數(shù)的綜合評價

分別由模型模擬數(shù)據(jù)（Φs = TVs1?/Rop）和獨立測量數(shù)據(jù)（Φm = TVm1?/Rel）計算 Haacke 優(yōu)值系數(shù)。

由三層模型模擬（Φs）和獨立光學、電學測量（Φm）分別得到的優(yōu)值系數(shù)在樣品上的等高線分布對比圖

基于Haacke定義的品質因數(shù)（Φs = TVs1?/Rs）分析，模擬與實測品質因數(shù)的空間分布一致，模擬值整體高于實測值，比值約為1.6，與電導率比值一致。在整個樣品區(qū)域內，品質因數(shù)均保持在0.010 Ω?1以上，表明所制備的AZO薄膜在大面積范圍內具有優(yōu)良的綜合光電性能。

本文采用光譜橢偏法對直流濺射沉積在鈉鈣玻璃上的AZO薄膜進行了均勻性研究。三層光學模型（AZO1 / AZO2 / 粗糙頂層）能夠較好地描述薄膜結構，提取的光學與電學參數(shù)表明，載流子輸運以電離雜質散射為主，光學法反映晶粒內部特性，其電導率高于電學法，兩者比值約為1.6。通過對15 cm×15 cm樣品區(qū)域內多個點位的系統(tǒng)表征，橢偏法所得方阻與可見光透過率的空間分布與分光光度法和四探針法結果高度一致。樣品邊緣區(qū)域因粗糙度增加，表現(xiàn)出稍高的方阻與透過率，整體厚度變化僅為6%，品質因數(shù)均高于0.010 Ω?1。研究表明，光譜橢偏法可作為一種高效、可靠的單工具手段，用于大面積AZO薄膜光電特性的均勻性評估。

Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀

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Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領域中單層或多層納米薄膜的層構參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進的旋轉補償器測量技術：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進的光能量增強技術，高信噪比的探測技術。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
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Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結合費曼儀器全流程薄膜測量技術，助力半導體薄膜材料領域的高質量發(fā)展。

原文參考：《Ellipsometric Study on the Uniformity of Al:ZnO Thin Films Deposited Using DC Sputtering at Room Temperature over Large Areas》

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