本文關(guān)鍵詞：氧化鐵薄膜的原子層沉積工藝及其機(jī)理研究

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【摘要】：氧化鐵納米薄膜是一種具有優(yōu)異光電特性的材料,具有化學(xué)穩(wěn)定性好、儲量豐富、成本較低等優(yōu)勢,在催化、電池、傳感、磁記錄等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。氧化鐵薄膜的廣闊應(yīng)用前景對其可控制備提出了更高的要求。原子層沉積技術(shù)作為制備薄膜的手段,制備的薄膜具有良好的保形性,同時還能在原子尺度上對沉積薄膜的厚度進(jìn)行精確控制。本文以制備厚度可控的高質(zhì)量氧化鐵納米薄膜為研究背景,以原子層沉積技術(shù)作為制備手段,進(jìn)行了沉積模式、沉積基底表面狀態(tài)、循環(huán)次數(shù)等對比實(shí)驗(yàn),通過掃描電鏡、原子力顯微鏡、光譜型橢偏儀、X射線光電子能譜、X射線衍射等表征手段對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、化學(xué)組成進(jìn)行了表征,研究了原子層沉積工藝參數(shù)對氧化鐵納米薄膜質(zhì)量的影響,并對薄膜的生長機(jī)制進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上,本文以在-OH終止硅片表面,二茂鐵與臭氧分子的一系列基元反應(yīng)為出發(fā)點(diǎn),通過量子化學(xué)計算中的密度泛函理論,從分子水平對氧化鐵薄膜的原子層沉積機(jī)理進(jìn)行了描述。本文以二茂鐵和臭氧作為前驅(qū)體,設(shè)計了連續(xù)模式、停留模式兩種沉積模式,在-OH終止基片、-H終止基片和普通清洗基片三種表面狀態(tài)的硅片上進(jìn)行了500、1000、2000、3350、4000次循環(huán)沉積。結(jié)果表明,本文設(shè)計的沉積模式均能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鐵薄膜的沉積,薄膜中鐵物種以三價為主,也存在二價和零價的鐵元素。對于兩種沉積模式,連續(xù)模式生長的薄膜均勻性較好,但沉積速率低(沉積速率0.138?/循環(huán)),制備效率較停留模式差。停留模式沉積薄膜的效率(沉積速率0.882?/循環(huán))較文獻(xiàn)報道更好,但其表面粗糙度較大,較難實(shí)現(xiàn)均勻性較好的薄膜。此外,-OH終止硅片由于OH基團(tuán)的親核作用,較-H終止硅片和普通清洗硅片表現(xiàn)出對前驅(qū)體分子更好的吸附作用,在循環(huán)次數(shù)較小、沉積時間較短的情況下,能夠生長出粒徑尺寸更大的氧化鐵薄膜。氧化鐵薄膜的生長遵循典型的島狀生長機(jī)制,分為成核、顆粒聚集和薄膜增厚三步,其生長速率不僅受生長機(jī)制的影響,同時也受化學(xué)吸附階段、反應(yīng)活性位點(diǎn)和前驅(qū)體配體的限制。上述結(jié)論對采用原子層沉積技術(shù)制備氧化鐵薄膜時工藝參數(shù)的選擇具有指導(dǎo)意義。通過量子化學(xué)計算的密度泛函理論從分子水平上對Fe_2O_3的原子層沉積機(jī)理進(jìn)行描述,模擬了二茂鐵分子在-OH終止硅片表面與臭氧分子的反應(yīng),研究了Fe_2O_3薄膜的原子層沉積機(jī)理。結(jié)果表明,由于吸附位點(diǎn)對反應(yīng)的限制和反應(yīng)伴隨著空位點(diǎn)的形成,薄膜的生長速率受到了限制,其中吸附位點(diǎn)對反應(yīng)的限制是薄膜生長速度較慢的主要原因。同時,由于反應(yīng)伴隨著空位點(diǎn)的形成,通過原子層沉積工藝制備的Fe_2O_3薄膜理論上將具有較大的粗糙程度。
【關(guān)鍵詞】：氧化鐵薄膜 原子層沉積 沉積工藝 沉積機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ138.11;TB383.2
【目錄】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第一章 緒論13-26
• 1.1 引言13
• 1.2 氧化鐵薄膜的研究進(jìn)展及其制備方法13-17
• 1.2.1 氧化鐵薄膜的研究進(jìn)展13-15
• 1.2.2 氧化鐵薄膜的制備方法15-17
• 1.3 原子層沉積技術(shù)概述17-20
• 1.3.1 沉積原理17-19
• 1.3.2 材料體系19-20
• 1.4 原子層沉積技術(shù)在磁性金屬氧化物上的應(yīng)用20-23
• 1.4.1 原子層沉積技術(shù)制備磁性金屬氧化物20-21
• 1.4.2 原子層沉積技術(shù)的保形性研究21-23
• 1.5 量子化學(xué)計算在原子層沉積上的應(yīng)用23-24
• 1.6 課題研究的目的和內(nèi)容24-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)與表征方法26-33
• 2.1 技術(shù)路線26
• 2.2 主要試劑及儀器26-27
• 2.3 原子層沉積設(shè)備27-29
• 2.4 樣品制備工藝29-31
• 2.4.1 基片清洗29-30
• 2.4.2 沉積工藝30-31
• 2.5 表征與測試方法31-33
• 2.5.1 厚度測試31
• 2.5.2 晶體結(jié)構(gòu)分析31-32
• 2.5.3 形貌與能譜分析32-33
• 第三章 氧化鐵薄膜的原子層沉積工藝研究33-58
• 3.1 沉積氧化鐵薄膜的基本工藝33-35
• 3.1.1 沉積氧化鐵薄膜的工藝參數(shù)33-34
• 3.1.2 沉積基底34
• 3.1.3 沉積模式34-35
• 3.2 基底狀態(tài)對氧化鐵薄膜沉積效果的影響35-44
• 3.2.1 表面與形貌表征35-43
• 3.2.2 X射線衍射結(jié)果分析（XRD）43-44
• 3.3 沉積模式對氧化鐵薄膜制備的影響44-51
• 3.3.1 表面與形貌表征44-50
• 3.3.2 X射線衍射結(jié)果分析（XRD）50-51
• 3.4 沉積薄膜的化學(xué)組成分析51-53
• 3.5 氧化鐵薄膜的原子層沉積速率53-56
• 3.6 本章小結(jié)56-58
• 第四章 氧化鐵薄膜原子層沉積機(jī)理的密度泛函理論研究58-70
• 4.1 計算方法與計算模型58-62
• 4.1.1 建立基元反應(yīng)步驟58-60
• 4.1.2 計算方法60-61
• 4.1.3 建立計算模型61-62
• 4.2 各基元反應(yīng)的密度泛函計算結(jié)果62-69
• 4.2.1 臭氧分子在硅原子表面的吸附過程62-63
• 4.2.2 二茂鐵分子在-OH終止硅片表面的吸附過程63-64
• 4.2.3 -O-Fe(C5H5)基團(tuán)與吸附狀態(tài)O原子的反應(yīng)64-67
• 4.2.4 O-Fe=O基團(tuán)生成Fe_2O_3的反應(yīng)歷程67-69
• 4.3 本章小結(jié)69-70
• 第五章 結(jié)論與展望70-73
• 致謝73-74
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果74

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本文編號：557301