红外透明导电氧化物薄膜的制备及光电性能研究

发布时间：2017-08-22 11:39

  本文关键词：红外透明导电氧化物薄膜的制备及光电性能研究

  更多相关文章： 红外透明导电氧化物 氧化铟薄膜 锡掺杂氧化铟薄膜 钌掺杂氧化钇薄膜 磁控溅射

【摘要】：在光电系统的发展过程中,透明导电材料已经成为航空航天光电系统不可或缺的重要组成部分。对于红外光电系统而言,前置大孔径红外光学窗口探测红外信号易受电磁波的干扰,传统金属网栅等材料不能满足红外波段高透过与电磁屏蔽隐身性能协调的要求。针对上述问题,本文在室温下采用等离子体轰击辅助磁控溅射制备晶态中红外透明导电氧化铟(In2O3)和氧化铟锡(In2O3:Sn)薄膜。系统研究不同负偏压(|Vp|)对两种薄膜内部晶体结构、光电性能和表面能态之间的内在联系;采用双靶磁控共溅射制备远红外透明导电钌掺杂氧化钇(Y2O3:Ru)薄膜,研究不同基底温度和掺杂浓度与成分、结构和光电等性能的联系;利用德鲁德自由电子理论对上述薄膜材料的等离子频率进行拟合,并实现了中、远红外的透明导电。等离子体轰击辅助磁控溅射在室温下制备的In2O3和In2O3:Sn薄膜,证实晶体结构与其生长条件密切相关。随着负偏压(|Vp|)的增加,In2O3和In2O3:Sn薄膜表面形貌发生显著变化,证明等离子体轰击辅助磁控溅射是一种精细修改表面形貌的可控手段。随着|Vp|的增加,薄膜内部由非晶态转变为晶态,且晶态薄膜择优取向也发生了相应的变化。通过光电性能的研究发现,In2O3和In2O3:Sn薄膜在可见光波段的透过率均大于80%,且光学带隙的变化遵从Burstein-Moss效应;薄膜随着|Vp|的增加,两者电阻率均呈现先降低后增加的变化。In2O3薄膜的变化原因是|Vp|的增加导致氧空位含量减少、载流子浓度降低、迁移率呈现先升高后降低的趋势。相比之下,In2O3:Sn薄膜的变化原因是|Vp|的增加,掺杂的低价态Sn2+转变为高价态Sn4+的量增多,因此载流子浓度有所增加。在|Vp|=|-700 V|制备的In2O3和In2O3:Sn薄膜具有在可见光波段最佳的光电性能;通过紫外荧光光谱法(UPS)证明该技术有助于改善In2O3和In2O3:Sn薄膜的功函数。当|-600 V||Vp||-700 V|时,In2O3薄膜氧空位含量减少使得其功函数提高。当|-700 V||Vp||-900 V|时,In2O3薄膜随着晶向由222转变为400,表面结构发生重构引起表面功函数的增加。与之相比,In2O3:Sn薄膜功函数的增加是因为低氧化态Sn2+向高氧化态Sn4+转变。在高轰击能作用下,表面结合Sn-O键增多提高了In2O3:Sn薄膜的功函数。利用双靶磁控共溅射制备的Y2O3:Ru薄膜发现,薄膜微观结构直接受到钌靶射频功率和基底温度的影响。薄膜的沉积速率随钌靶溅射功率的增加而增加。制备Y2O3:Ru薄膜的XRD结果证实,所有Y2O3:Ru薄膜均为非晶薄膜。XPS测试表明Y2O3:Ru薄膜中含有低能态的Ru4+-O键和高能态的Ru6+-O键。随着Ru掺杂含量的增加,Ru4+峰的强度增大而Ru6+峰强度减小。当衬底温度逐渐升高时,Ru6+峰的强度提高而Ru4+峰的强度下降。霍尔测试分析表明Y2O3:Ru薄膜属于n型半导体。随着掺杂含量的增加导致薄膜中的间隙原子等缺陷增多、载流子浓度逐渐增加,最佳的面电阻可达~283.4Ω/□。当衬底温度升高时,薄膜中缺陷含量相对减少,面电阻增大至~2.17×105Ωcm。UV-VIS-NIR分析表明,钌掺杂含量的增加显著提高了薄膜中散射质点的含量,降低了可见光波段的透过率。可见光波段的透过率同衬底温度的升高一同升高,说明薄膜中原子的有序性有所增加,消除了部分空位并使得一些间隙原子运动到更加有利的位置。在这两个过程中,载流子浓度的变化,引起了费米能级上升或下降,从而带来光学带隙在1.90~2.54 e V间的变化。根据德鲁德自由电子理论对以上三种薄膜材料的等离子波长进行拟合。通过延长等离子波长,沉积In2O3/Y2O3膜系与仅在Zn S基底上沉积In2O3薄膜相比,中红外透过率提高19%;在沉积Y2O3:Ru薄膜于红外透明Zn S基底,远红外透过率基本与基底透过率相当(~70%);通过设定延长等离子波长利用并沉积In2O3:Sn于Si O2镜头和飞机座舱盖(PMMA)实现抗红外热辐射和电磁屏蔽效果。通过载流子浓度的调整可以有效地延长和缩短以上三种薄膜材料的等离子波长,可以实现中红外和远红外的透明导电特性。
【关键词】：红外透明导电氧化物 氧化铟薄膜 锡掺杂氧化铟薄膜 钌掺杂氧化钇薄膜 磁控溅射
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TQ123.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 绪论13-32
• 1.1 课题研究背景13-14
• 1.2 可供选择的红外透明导电薄膜体系14-23
• 1.2.1 金属薄膜14-15
• 1.2.2 金属网栅15-17
• 1.2.3 超结构薄膜17-19
• 1.2.4 以氧化物为代表的n、p型透明导电薄膜19-21
• 1.2.5 新型透明碳材料薄膜21-23
• 1.3 红外透明导电氧化物的实现方法23-30
• 1.3.1 以扩展透过范围为目的来实现红外透明导电功能23-28
• 1.3.2 以提高红外透明薄膜导电性为目的来实现红外透明导电功能28-30
• 1.4 本文主要研究内容30-32
• 第2章 材料制备及实验方法32-41
• 2.1 实验设计32
• 2.2 薄膜的制备32-37
• 2.2.1 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的制备材料及工艺过程32-35
• 2.2.2 钌掺杂氧化钇薄膜的制备工艺35-37
• 2.3 制备薄膜样品的表征37-41
• 2.3.1 厚度表征37
• 2.3.2 结构表征37-38
• 2.3.3 成分及化学键合表征38-39
• 2.3.4 电学性能表征39-40
• 2.3.5 光学性能表征40
• 2.3.6 力学性能表征40-41
• 第3章 等离子体轰击辅助制备氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的结构和光电性能41-72
• 3.1 引言41
• 3.2 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的生长速率41-42
• 3.3 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的微结构42-51
• 3.3.1 表面形貌42-46
• 3.3.2 晶体结构46-51
• 3.4 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的成分及化学键合态51-59
• 3.4.1 成分表征51-52
• 3.4.2 元素化学键合态52-59
• 3.5 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的光电性能59-64
• 3.5.1 电学性能变化59-61
• 3.5.2 光学性能变化61-64
• 3.6 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜显微硬度64-65
• 3.7 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜表面能态65-70
• 3.8 本章小结70-72
• 第4章 磁控共溅射制备N型钌掺杂氧化钇薄膜的结构和性能研究72-89
• 4.1 引言72
• 4.2 钌掺杂氧化钇薄膜沉积速率72-73
• 4.2.1 功率大小对钌掺杂氧化钇薄膜沉积速率的影响72-73
• 4.2.2 衬底温度对钌掺杂氧化钇薄膜沉积速率的影响73
• 4.3 钌掺杂氧化钇薄膜的表面形貌73-76
• 4.4 钌掺杂氧化钇薄膜的晶体结构76-77
• 4.5 钌掺杂氧化钇薄膜成分及化学键合态77-85
• 4.5.1 成分表征77-79
• 4.5.2 元素化学键合态79-85
• 4.6 电学和光学性能85-88
• 4.6.1 电学性能85-86
• 4.6.2 光学性能86-88
• 4.7 本章小结88-89
• 第5章 红外透明导电机理分析及应用89-108
• 5.1 引言89
• 5.2 红外透明导电机理分析89-91
• 5.3 硫化锌窗.镀制中、远红外透明导电氧化物薄膜91-98
• 5.3.1 镀制中红外透明导电氧化物91-92
• 5.3.2 镀制远红外透明导电氧化物薄膜92-93
• 5.3.3 提高膜层与硫化锌基底镀膜的结合性和光学性能93-98
• 5.4 二氧化硅镜头防热辐射保护膜98-99
• 5.4.1 实验步骤99
• 5.4.2 实验结果99
• 5.5 具有电磁屏蔽效果座舱盖的膜系99-106
• 5.5.1 实验步骤100-102
• 5.5.2 膜层综合性能检测102-106
• 5.6 本章小结106-108
• 结论108-109
• 创新点109-110
• 参考文献110-121
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果121-123
• 致谢123-124
• 个人简历124

，

本文编号：718970