ITO薄膜的制备及其表面等离子体特性研究

发布时间：2020-06-17 16:25

【摘要】：ITO薄膜具有高载流子浓度(10~(20)cm~(-3))、低电阻率(10~(-4)?·cm)及高可见光透过率(80%),被广泛的应用于平面显示、太阳能电池以及电磁屏蔽等领域。表面等离子体因具有近场增强效应被广泛的应用于传感、探测、超分辨率成像等领域。目前表面等离子体材料多采用金属,但金属在红外范围内的损耗较高且性质固有,这些性质严重影响了器件的性能。ITO具有可调的光电性质,在红外范围内实现表面等离子体效应的同时损耗较小,因此可以作为红外范围内理想的表面等离子体材料。本文首先采用直流磁控溅射法在不同温度、不同溅射时间以及不同衬底的实验条件下制备ITO薄膜,优化其工艺参数:当制备温度450℃,溅射时间为115min时电阻率最低(8×10~(-5)?·cm),溅射时间为15min时可见光平均透过率最高(96%);与玻璃衬底和石英衬底相比,以蓝宝石为衬底制备的ITO薄膜表面粗糙度较小,均方根粗糙度(Rq)低至1.13nm;不同条件下制备的ITO薄膜均为立方多晶铁锰矿结构。通过改变ITO薄膜的制备温度和溅射时间,实现了表面等离子体共振波长的有效调制(2000-1183nm)。理论计算了ITO薄膜的介电常数实部,证明其表面等离子体共振波长的大小主要由载流子浓度决定。最后采用时域有限差分法模拟了ITO纳米阵列的消光光谱与局域电场分布,得到:当ITO纳米阵列的局域表面等离子体共振峰与入射波长匹配时,ITO纳米结构的局域电场强度提高了2-3倍。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484
【图文】：

纳米颗粒,Sn掺杂,图像,表面

a)ITO(11.2±1.8nm，30% Sn)纳米颗粒的 TEM 图像(b)不同 Sn 掺杂浓度的 ITO 纳米等离子体共振吸收光谱[16]O 透明导电氧化物薄膜O 薄膜作为一种重掺杂的 n 型半导体材料，具有较高的可见光平均透过率子浓度(1020~1021cm-3)以及低电阻率(10-4 cm)，其禁带宽度在 3.5-4.3eV有光电性质可调、化学性质稳定及易刻蚀等优点，因此在探测[19]、传感[21]、太阳能电池[22]等领域具有广泛的应用前景。观结构膜的微观结构决定了其光电性质的好坏，因此对薄膜微观结构的研究具有晶体结构究者们采用 X 射线衍射仪(X Ray Diffractometer，XRD)测试，研究了不同的 ITO 薄膜的微观结构：山东非金属材料研究所的黄成亮等人[23]在 201

照片,磁控溅射法,ITO薄膜,照片

m[26]采用磁控溅射法制备的 ITO 薄膜的 AFM 图；图 1.2(b)为彭寿[12]等人在 2016 年采用磁控溅射的方式制备的 ITO 薄膜的 SEM 照片；图1.2(c)为 S S Kim[8]研究组在 1999 年采用溶胶凝胶法制备 ITO 薄膜的 AFM 图；图 1.2(d)为 H Kim[27]研究组在 2001 年采用脉冲激光沉积法制备的 ITO 薄膜的 AFM 图。以上研究表明：ITO 薄膜的表面形貌具有平整、均匀、致密的特点，其表面颗粒呈无序分布，表面粗糙度及颗粒尺寸受制备条件影响较为明显。图 1.2 磁控溅射法制备的 ITO 薄膜的(a)AFM 照片[26](b)SEM 照片[12](c)溶胶凝胶法制备 ITO 薄膜的 AFM 图[8](d)脉冲激光沉积法制备 ITO 薄膜的 AFM 图[27]1.2.2 能带结构图 1.3 为 In2O3的能带结构，直接带隙 EeVg3.750= 。导带中电子的有效质量为0m ≈ 0. 35m，0m 指自由电子的有效质量。费米能级FE 处于导带与价带中间。

【参考文献】