透明导电氧化物（TCO）是一种既透光又导电的特殊材料，可应用于太阳能电池、显示器件中，如In2O3基薄膜，它的电阻率达到10-3～10-4Ω·cm，在可见光和近红外波段的透过率达到90%，但是它在中红外波段的反射率高，无法应用。为此，吉林大学郑传涛教授课题组利用磁控溅射法制备了Hf…In2O3薄膜和Ｗ…In2O3/Cu/Ｗ…In2O3多层薄膜，二者在3～5μｍ波段均具有良好的透过率。但In是稀有金属，因此，研究可以替代In2O3的TCO材料具有重要的意义。ZnO薄膜凭借着其优异的光电性能和丰富的资源储备成为替代In2O3薄膜的候选材料。
研究透明导电薄膜的关键是提高材料的载流子迁移率，因为这既能降低红外波段载流子的吸收率，又能提高电导率。掺杂与材料不同族的元素可以提高电导率。对于ZnO薄膜，掺杂元素可以是ⅢＡ族元素和卤族元素，其中ⅢＡ族元素取代Zn2+并产生电子，进而提高载流子浓度，同时产生位于导带底部的杂质能级；而卤族元素取代O2-并产生电子，同时在价带顶部引入杂质能级。
据麦姆斯咨询报道，近期，吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室郑传涛教授课题组在《光学学报》期刊上发表了以“掺铪氧化锌红外透明导电薄膜”为主题的论文。郑教授主要从事红外吸收光谱气体传感技术与应用、硅基集成光电传感器件与片上系统等方面的研究工作。
本研究在ZnO中掺杂Hf元素（即HZO薄膜），Zn2+的半径为74pm，Hf4+的半径为71pm，二者半径接近，这会减小由掺杂引起的晶格畸变，从而降低由晶格散射引起的迁移率。此外，当Al3+和Ga3+取代Zn2+时，产生一个自由电子，而Hf4+取代Zn2+时，产生两个自由电子。若仅通过外来掺杂提升载流子浓度，掺杂Hf4+比掺杂ⅢＡ族元素需要的掺杂量更少，从而减小由杂质离子散射引起的迁移率。因此，对HZO薄膜的研究很有必要。
本研究采用射频磁控溅射法制备了HZO薄膜，研究了氧气流速和退火条件对薄膜的微观结构、厚度和光电性能的影响。XRD测试结果表明HZO薄膜具有纤锌矿结构，退火处理可使晶粒尺寸增加，晶面间距减小，衍射峰右移；氧气含量对晶粒尺寸的影响小，但对衍射峰强度的影响较大。SEM测试结果显示所制备的薄膜具有致密均匀的圆形颗粒状结构。从ＦＴＩＲ测试结果可以看出，薄膜在3～5μｍ波段的平均透过率超过80%。霍尔测试结果表明在氧气流速为0.6mL/min时，薄膜的电阻率低至1.66×10-2Ω·cm，此时对应的迁移率和载流子浓度分别为13.4cm2·V-1·S-1和2.82×1019cm-3。因此，在氧气流速为0.6mL/min，退火温度为800℃的条件下制备的HZO薄膜具有最佳的微观结构和光电性能，可用作3～5μｍ波段的红外窗口材料。
上述研究获得：国家重点研发计划（2016YFD0700101）、国家自然科学基金（61960206004，61775079，61627823）、吉林省科技发展计划项目（20180201046GX，20190101016JH）的支持。
