Mg-C-O-H薄膜的制备及性能研究

发布时间：2017-09-14 18:17

  本文关键词：Mg-C-O-H薄膜的制备及性能研究

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【摘要】：随着航空航天光电系统的发展,红外透明导电薄膜以其优异的导电性能和红外光学性能引起了科研工作者的广泛关注。在光电窗口表面增镀红外透明导电薄膜既可以使得前置探测器在探测红外信号的同时不受电磁波的干扰。然而,根据德鲁德自由电子理论可知,导电性能与宽波段透过性能是一对矛盾体,使得红外高透过和电磁屏蔽不能协调。因此,解决光电性能之间的矛盾显得尤为重要。本论文通过两步法,利用双靶磁控共溅射和高温高压反应釜制备出了具有良好导电性能和宽波段高透过性能的Mg-C-O-H薄膜。通过探讨不同C靶溅射功率、衬底温度、退火温度和时间对Mg-C-O-H薄膜晶体结构、表面形貌、元素含量和化学键合态的影响,得出制备最佳光电性能薄膜的工艺参数。不同C靶溅射功率将会对Mg-C-O-H薄膜的晶体结构、表面形貌、化学成分等产生影响。随着C靶溅射功率的增加,Mgx-Cy薄膜与Mg-C-O-H薄膜的结晶度逐渐下降,表面粗糙度逐渐升高。由于载流子浓度的增加,Mgx-Cy薄膜与水蒸气反应后得到的Mg-C-O-H薄膜的可见光透过率随着C靶溅射功率的增加而降低,但是不同C含量的Mg-C-O-H薄膜的可见光透过率均大于80%。由于不同C含量将会使得载流子浓度发生变化,使得Mg-C-O-H薄膜光学带隙在4.04~6.87eV之间变动。Mg-C-OH薄膜在C靶的溅射功率为120 W时导电性能最为优异,此时的电阻率为69.7Ω·cm,载流子浓度为2.4×1015 cm-3。但是不同C靶溅射功率下薄膜的电学性能变化不大,这主要是由于C与Mg原子的相容性较差,当Mgx-Cy薄膜与水蒸气反应时,出现C的偏聚现象。通过改变制备Mgx-Cy薄膜的衬底温度,发现Mgx-Cy薄膜的晶体结构发生变化。C原子进入薄膜的晶体结构后,Mgx-Cy薄膜的X射线衍射峰向低衍射角方向偏移。随着衬底温度的增加,Mg-C-O-H薄膜以(001)晶面择优取向逐渐转变为(101)和(110)晶向择优取向。随着衬底温度的增加,Mg-C-O-H薄膜的电阻率逐渐降低,载流子浓度和迁移率逐渐升高。衬底温度为400℃时,Mg-C-O-H薄膜的电阻率最低为4.086Ω·cm,载流子浓度最高为3.11×1016 cm-3,载流子迁移率最高为49.18 cm2V-1s-1。随着衬底温度的增加,Mg-C-O-H薄膜的可见光透过率变化不大,都大于70%。由于薄膜中衬底温度的增加,载流子浓度逐渐增加,Mg-C-OH薄膜红外光透过率逐渐下降。但在中红外的3~5μm和8~10μm处的透过率大于70%。对Mg-C-O-H薄膜在不同的温度和时间下进行退火,可以明显改变薄膜的光电性能。当退火温度为140℃,退火时间为1.5 h时,Mg-C-O-H薄膜获得最佳的电学性能,此时电阻率为0.0348Ω·cm,此时薄膜的载流子浓度为2.98×1018 cm-3,迁移率为58.38 cm2V-1s-1。Mg-C-O-H薄膜的可将光透过率大于85%,红外光透过率大于70%。
【关键词】：红外透明导电薄膜 Mg-C-O-H薄膜 Mgx-Cy薄膜 磁控溅射 两步法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 研究背景11
• 1.2 几种常见的红外窗口材料11-14
• 1.3 几种常见的红外透明导电薄膜体系14-24
• 1.3.1 金属薄膜14-16
• 1.3.2 金属网栅薄膜16-17
• 1.3.3 新型透明碳材料薄膜17-19
• 1.3.4 氧化物薄膜19-24
• 1.4 Mg-C-O-H薄膜的研究现状24-27
• 1.5 本文主要研究内容27-28
• 第2章 材料制备及实验方法28-36
• 2.1 实验设计28
• 2.2 Mg-C-O-H薄膜的制备28-32
• 2.2.1 薄膜制备材料28
• 2.2.2 薄膜沉积系统28-30
• 2.2.3 薄膜沉积过程30-32
• 2.3 实验的表征方法32-36
• 2.3.1 厚度表征32
• 2.3.2 结构表征32-33
• 2.3.3 成分及化学键合表征33-34
• 2.3.4 电学性能表征34
• 2.3.5 光学性能表征34
• 2.3.6 力学性能表征34-36
• 第3章 溅射功率对Mg-C-O-H薄膜性能的影响36-52
• 3.1 引言36
• 3.2 溅射功率对薄膜沉积速率的影响36-37
• 3.3 晶体结构37-41
• 3.4 表面形貌41-45
• 3.5 薄膜的电学性能45-47
• 3.6 薄膜的光学性能47-51
• 3.6.1 Mg-C-O-H薄膜的可见光学性能48-49
• 3.6.2 Mg-C-O-H薄膜的红外光学性能49-51
• 3.7 本章小结51-52
• 第4章 衬底温度对Mg-C-O-H薄膜性能的影响52-60
• 4.1 引言52
• 4.2 不同衬底温度下薄膜的晶体结构52-54
• 4.3 不同衬底温度下的薄膜表面形貌54-55
• 4.4 Mg-C-O-H薄膜的电学性能55-56
• 4.5 Mg-C-O-H薄膜的光学性能56-58
• 4.5.1 Mg-C-O-H薄膜的可见光学性能56-57
• 4.5.2 Mg-C-O-H薄膜的红外光学性能57-58
• 4.6 本章小节58-60
• 第5章 退火对Mg-C-O-H薄膜性能的影响60-79
• 5.1 引言60
• 5.2 退火后晶体结构60-62
• 5.3 表面形貌62-65
• 5.4 Mg-C-O-H薄膜的元素化学键合态分析65-70
• 5.5 Mg-C-O-H薄膜的电学性能70-73
• 5.6 Mg-C-O-H薄膜的光学性能73-76
• 5.6.1 Mg-C-O-H薄膜的可见光学性能73-75
• 5.6.2 Mg-C-O-H薄膜的红外光学性能75-76
• 5.7 Mg-C-O-H薄膜的力学性能76-77
• 5.8 本章小节77-79
• 第6章 Mg-C-O-H薄膜光电性能的调控机制79-87
• 6.1 引言79
• 6.2 Mg-C-O-H薄膜中电子的输运机制79-81
• 6.3 Mg-C-O-H薄膜禁带宽度的调控81-83
• 6.4 Mg-C-O-H薄膜载流子浓度与等离子波长的调控83-85
• 6.5 本章小节85-87
• 结论87-89
• 参考文献89-98
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果98-100
• 致谢100

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本文编号：851557