透明导电氧化物薄膜(TCOs)应用领域广泛,TiO2薄膜作为一种新型的TCOs材料受到了广泛的关注和深入的研究。TiO2需要通过离子掺杂对光电性能进行改良,才能达到TCOs材料的特殊要求。本课题采取溶胶凝胶法以及后续气氛退火制备TiO2:M(M=Nb,Ta)薄膜。探究溶胶-凝胶参数、离子掺杂浓度以及热处理条件对Nb/Ta掺杂TiO2薄膜的结晶性、微观形貌、导电机制及光学参数的影响。实验通过调控掺杂浓度以及引入氧空位缺陷V0提供额外的n型载流子以提高导电性能,同时对TiO2:M(M=Nb,Ta)薄膜的透光度进行调节。对前驱体成分和溶胶配比进行调节、改善制备工艺从而优化Nb/Ta元素掺入率。通过多元化测试和评估表征了透明导电薄膜的结构、形貌、成分和价态、电学性能和光学性能。实验结果表明:(1)退火温度为250℃时TiO2薄膜生成无定形态,300℃-700℃时生成锐钛矿相,超过700℃时生成金红石相。600℃退火时,TiO2薄膜结晶性最好,微观形貌以及电学性能最优。多重退火工艺相比单重退火更易生成锐钛矿相,Nb5+掺杂取代Ti4+的效率更高。随炉冷却相比于快速冷却具有更好的结晶性,持久高温促使薄膜晶粒长大,不易产生裂纹,有利于载流子传输。旋涂速度为1800rpm时结晶性更好,电学性能更优。溶胶浓度过小会劣化多晶薄膜的结晶性,溶胶浓度过大则使薄膜的厚度过大,不利于载流子传输,在溶胶浓度为0.05M时,薄膜具有最佳的结晶性能和电学性能。(2)Nb的最优掺杂浓度为10%,方块电阻Rs=0.50MΩ/sq,Ta的最优掺杂浓度为8%,方块电阻Rs=0.51MΩ/sq,二者的导电性能相近。钽原子在TiO2晶格中的溶解度更高,当掺杂浓度超过25%时,Nb元素形成氧化物,同样掺杂浓度下TiO2:Ta薄膜中只存在TiO2物相。TiO2:Ta薄膜的最高载流子迁移率μH=0.09 cm2/V-1s-1,相对于铌掺杂具有优势。Ta更易溶于TiO2晶格,减少杂质散射中心,减弱了电离杂质散射作用,可见光透过性更佳。掺钽TiO2薄膜在红外光波段具有更高的反射率,半球辐射率低于掺铌TiO2薄膜。(3)H2后续气氛退火可以进一步优化TiO2:Ta薄膜的结晶性能和导电性能,得到电阻率p=2.5Ω·cm,可见光透过率Tvis=78.43%的薄膜。对比普通大气、高真空、H2气体、N2气体四种气氛环境,H2气氛环境后续退火的薄膜的结晶性最好,薄膜微观形貌最优,膜厚最大,导电性最佳,可见光透过率最高,薄膜内产生的Ti3+最多。负压下生成氧空位是Ti:O原子比低于1:2的主要原因,气氛环境的还原性是影响薄膜样品导电性以及平均可见光透过率的主要因素。结合全文可知,掺杂Ta5+/Nb5+和还原性气氛是决定薄膜导电性两个的必要条件。