氧化铁薄膜的原子层沉积工艺及其机理研究

发布时间：2017-07-18 10:30

  本文关键词：氧化铁薄膜的原子层沉积工艺及其机理研究

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【摘要】：氧化铁纳米薄膜是一种具有优异光电特性的材料,具有化学稳定性好、储量丰富、成本较低等优势,在催化、电池、传感、磁记录等领域具有广阔的应用前景。氧化铁薄膜的广阔应用前景对其可控制备提出了更高的要求。原子层沉积技术作为制备薄膜的手段,制备的薄膜具有良好的保形性,同时还能在原子尺度上对沉积薄膜的厚度进行精确控制。本文以制备厚度可控的高质量氧化铁纳米薄膜为研究背景,以原子层沉积技术作为制备手段,进行了沉积模式、沉积基底表面状态、循环次数等对比实验,通过扫描电镜、原子力显微镜、光谱型椭偏仪、X射线光电子能谱、X射线衍射等表征手段对薄膜的微观结构、表面状态、化学组成进行了表征,研究了原子层沉积工艺参数对氧化铁纳米薄膜质量的影响,并对薄膜的生长机制进行了探讨。在此基础上,本文以在-OH终止硅片表面,二茂铁与臭氧分子的一系列基元反应为出发点,通过量子化学计算中的密度泛函理论,从分子水平对氧化铁薄膜的原子层沉积机理进行了描述。本文以二茂铁和臭氧作为前驱体,设计了连续模式、停留模式两种沉积模式,在-OH终止基片、-H终止基片和普通清洗基片三种表面状态的硅片上进行了500、1000、2000、3350、4000次循环沉积。结果表明,本文设计的沉积模式均能够实现氧化铁薄膜的沉积,薄膜中铁物种以三价为主,也存在二价和零价的铁元素。对于两种沉积模式,连续模式生长的薄膜均匀性较好,但沉积速率低(沉积速率0.138?/循环),制备效率较停留模式差。停留模式沉积薄膜的效率(沉积速率0.882?/循环)较文献报道更好,但其表面粗糙度较大,较难实现均匀性较好的薄膜。此外,-OH终止硅片由于OH基团的亲核作用,较-H终止硅片和普通清洗硅片表现出对前驱体分子更好的吸附作用,在循环次数较小、沉积时间较短的情况下,能够生长出粒径尺寸更大的氧化铁薄膜。氧化铁薄膜的生长遵循典型的岛状生长机制,分为成核、颗粒聚集和薄膜增厚三步,其生长速率不仅受生长机制的影响,同时也受化学吸附阶段、反应活性位点和前驱体配体的限制。上述结论对采用原子层沉积技术制备氧化铁薄膜时工艺参数的选择具有指导意义。通过量子化学计算的密度泛函理论从分子水平上对Fe_2O_3的原子层沉积机理进行描述,模拟了二茂铁分子在-OH终止硅片表面与臭氧分子的反应,研究了Fe_2O_3薄膜的原子层沉积机理。结果表明,由于吸附位点对反应的限制和反应伴随着空位点的形成,薄膜的生长速率受到了限制,其中吸附位点对反应的限制是薄膜生长速度较慢的主要原因。同时,由于反应伴随着空位点的形成,通过原子层沉积工艺制备的Fe_2O_3薄膜理论上将具有较大的粗糙程度。
【关键词】：氧化铁薄膜 原子层沉积 沉积工艺 沉积机理
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ138.11;TB383.2
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 引言13
• 1.2 氧化铁薄膜的研究进展及其制备方法13-17
• 1.2.1 氧化铁薄膜的研究进展13-15
• 1.2.2 氧化铁薄膜的制备方法15-17
• 1.3 原子层沉积技术概述17-20
• 1.3.1 沉积原理17-19
• 1.3.2 材料体系19-20
• 1.4 原子层沉积技术在磁性金属氧化物上的应用20-23
• 1.4.1 原子层沉积技术制备磁性金属氧化物20-21
• 1.4.2 原子层沉积技术的保形性研究21-23
• 1.5 量子化学计算在原子层沉积上的应用23-24
• 1.6 课题研究的目的和内容24-26
• 第二章 实验与表征方法26-33
• 2.1 技术路线26
• 2.2 主要试剂及仪器26-27
• 2.3 原子层沉积设备27-29
• 2.4 样品制备工艺29-31
• 2.4.1 基片清洗29-30
• 2.4.2 沉积工艺30-31
• 2.5 表征与测试方法31-33
• 2.5.1 厚度测试31
• 2.5.2 晶体结构分析31-32
• 2.5.3 形貌与能谱分析32-33
• 第三章 氧化铁薄膜的原子层沉积工艺研究33-58
• 3.1 沉积氧化铁薄膜的基本工艺33-35
• 3.1.1 沉积氧化铁薄膜的工艺参数33-34
• 3.1.2 沉积基底34
• 3.1.3 沉积模式34-35
• 3.2 基底状态对氧化铁薄膜沉积效果的影响35-44
• 3.2.1 表面与形貌表征35-43
• 3.2.2 X射线衍射结果分析（XRD）43-44
• 3.3 沉积模式对氧化铁薄膜制备的影响44-51
• 3.3.1 表面与形貌表征44-50
• 3.3.2 X射线衍射结果分析（XRD）50-51
• 3.4 沉积薄膜的化学组成分析51-53
• 3.5 氧化铁薄膜的原子层沉积速率53-56
• 3.6 本章小结56-58
• 第四章 氧化铁薄膜原子层沉积机理的密度泛函理论研究58-70
• 4.1 计算方法与计算模型58-62
• 4.1.1 建立基元反应步骤58-60
• 4.1.2 计算方法60-61
• 4.1.3 建立计算模型61-62
• 4.2 各基元反应的密度泛函计算结果62-69
• 4.2.1 臭氧分子在硅原子表面的吸附过程62-63
• 4.2.2 二茂铁分子在-OH终止硅片表面的吸附过程63-64
• 4.2.3 -O-Fe(C5H5)基团与吸附状态O原子的反应64-67
• 4.2.4 O-Fe=O基团生成Fe_2O_3的反应历程67-69
• 4.3 本章小结69-70
• 第五章 结论与展望70-73
• 致谢73-74
• 作者在学期间取得的学术成果74

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本文编号：557301