本文關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石和LSAT襯底上氧化鈦薄膜的制備及性質(zhì)研究

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【摘要】：Ti02是一種性能優(yōu)異的多功能寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料,在光催化、透明導(dǎo)電薄膜、染料敏化太陽能電池、絕緣柵、自旋電子器件等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。目前已在多種襯底材料上制備出導(dǎo)電性和光透過性良好的Ti02薄膜,可用于氣敏傳感器、透明導(dǎo)電電極等,成為新型氧化物半導(dǎo)體薄膜材料的研究熱點(diǎn)之一。金紅石型Ti02具有直接帶隙(～3.0 eV),且物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,因此也是一種很有前景的光電材料。使用濺射、溶膠凝膠等方法制備的Ti02薄膜因?yàn)槭嵌嗑ЫY(jié)構(gòu)而性能穩(wěn)定性差。因此,制備結(jié)構(gòu)完整的Ti02外延薄膜,研究其晶格結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能,不僅在制作高性能的光電子器件方面具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,而且也有著重要的科學(xué)意義。本論文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)分別在A、C、M面藍(lán)寶石和鋁酸鍶鉭鑭(LSAT)單晶襯底上生長了不同取向的Ti02外延膜,并對其結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。實(shí)驗(yàn)中采用高純Ti(N(CH3)2)4作為Ti有機(jī)源,超高純N2作為載氣,高純O2作為氧化劑,有機(jī)源摩爾流量為2.5×10-7mol/min,襯底溫度為500℃、550℃、600℃和650℃。在上述襯底上成功制備出Ti02薄膜,主要研究工作和結(jié)果如下：1.A、C、M面藍(lán)寶石襯底上制備TiO2薄膜(1)XRD分析結(jié)果表明A面藍(lán)寶石襯底上生長的均為單一取向的金紅石型TiO2(101)薄膜。550℃下制備的薄膜樣品的結(jié)晶質(zhì)量最好,當(dāng)溫度達(dá)到650℃時(shí),結(jié)晶質(zhì)量明顯變差。Ti02薄膜與A面藍(lán)寶石的面內(nèi)外延關(guān)系為TiO2 [010]‖α-Al2O3[0001]和TiO2[101]‖α-Al2O3[1100]。Φ掃描分析還表明所制備的Ti02薄膜存在(101)孿晶。薄膜在可見光范圍的透過率大于73%。(2)在C面藍(lán)寶石襯底上生長的Ti02薄膜結(jié)構(gòu)差異較大。500℃和550℃得到的薄膜為銳鈦礦和金紅石兩相混合的多晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)襯度溫度為600℃時(shí)制備薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好,Ti02薄膜為沿[001]單一取向生長的銳鈦礦結(jié)構(gòu),XRDΦ掃描結(jié)果分析表明薄膜含有三重疇結(jié)構(gòu),這是緣于C面藍(lán)寶石襯底的三重對稱性。650℃制備的薄膜中未能觀察到Ti02的衍射峰,表明薄膜的結(jié)晶質(zhì)量明顯下降。制備薄膜在可見光范圍的透過率大于76%。(3)M面藍(lán)寶石襯底上制備出了金紅石結(jié)構(gòu)的Ti02薄膜。所制備的薄膜均是沿[001]單一取向生長,但溫度升至650℃時(shí),Ti02薄膜的結(jié)晶質(zhì)量退化嚴(yán)重。其中550℃下得到的薄膜樣品有最好的結(jié)晶質(zhì)量。金紅石結(jié)構(gòu)Ti02薄膜與M面藍(lán)寶石的面外外延關(guān)系為Ti02(001)‖α-Al203(1010),其面內(nèi)外延關(guān)系為Ti02[100]‖α-Al2O3[1210]和Ti02[010]‖α—A12O3[0001].Ti02薄膜樣品在可見光區(qū)的平均透過率超過71%,其中550℃薄膜的光學(xué)帶隙約為3.64 eV。另外,用不同有機(jī)源摩爾流量(2.5×10-7～4.0×10-6 mol／min)制備Ti02薄膜,襯底溫度設(shè)定為550℃,以研究生長速率對薄膜結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明,制備薄膜的結(jié)晶質(zhì)量在小流量(2.5×10-7 mol／min)即生長速率約為6.5 nm/h時(shí)最好,且隨著生長速率的增大而下降；生長速率達(dá)到401.5 nm/h時(shí),Ti02薄膜變?yōu)殇J鈦礦和金紅石兩相混合的多晶,且銳鈦礦相為主。2.LSAT(001)襯底上制備銳鈦礦結(jié)構(gòu)的Ti02薄膜采用MOCVD方法,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LSAT(001)襯底上不同溫度下制備了銳鈦礦結(jié)構(gòu)的Ti02薄膜。XRD分析可知所制備的薄膜均為垂直于[001]晶向的單一取向生長的銳鈦礦結(jié)構(gòu)Ti02,其中550℃樣品具有最佳的結(jié)晶質(zhì)量,XRDφ掃描結(jié)果分析表明該薄膜為無孿晶的完整單晶。550℃制備的銳鈦礦結(jié)構(gòu)Ti02薄膜的外延關(guān)系為TiO2(001)‖LSAT(001)和Ti02[100]‖LSAT[100],晶格失配約為2.2%。在可見光區(qū)薄膜的平均透過率超過84%,550℃制備薄膜的光學(xué)帶隙約為3.27 eV。此外,襯底溫度設(shè)定為550℃,改變有機(jī)源摩爾流量的大／J、(2.5×10-7 mol／min～ 4.O×10-6 mol／min),在LSAT(001)襯底上生長了Ti02薄膜,研究生長速率對薄膜結(jié)構(gòu)的影響。只有摩爾流量為2.5×10-7 mol／min即生長速率約為5.9 nm/h時(shí)得到的樣品為單一取向的銳鈦礦Ti02薄膜,其他較大的生長速率下制備的薄膜均為多晶結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：TiO_2薄膜 MOCVD 結(jié)構(gòu) LSAT襯底
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN304.055
【目錄】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 符號說明15-17
• 第一章 緒論17-35
• 1.1 概述17-18
• 1.2 TiO_2薄膜的性質(zhì)及應(yīng)用18-23
• 1.2.1 結(jié)構(gòu)性質(zhì)18-19
• 1.2.2 光電性質(zhì)19-20
• 1.2.3 TiO_2薄膜的應(yīng)用20-23
• 1.3 TiO_2薄膜的研究現(xiàn)狀23-24
• 1.4 課題的選取及研究內(nèi)容24-26
• 本章參考文獻(xiàn)26-35
• 第二章 薄膜制備方法及性質(zhì)測試分析35-53
• 2.1 TiO_2薄膜的制備方法35-38
• 2.1.1 脈沖激光沉積35-36
• 2.1.2 濺射36
• 2.1.3 化學(xué)氣相沉積36-37
• 2.1.4 原子層沉積37
• 2.1.5 分子束外延37-38
• 2.1.6 溶膠-凝膠法38
• 2.2 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)介紹38-43
• 2.2.1 MOCVD的原理和特點(diǎn)38-39
• 2.2.2 本論文使用的MOCVD系統(tǒng)39-43
• 2.3 樣品的制備43-45
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備43-44
• 2.3.2 薄膜生長的工藝流程44-45
• 2.4 薄膜性質(zhì)測試方法45-50
• 2.4.1 結(jié)構(gòu)和形貌分析45-48
• 2.4.2 元素成分分析48-49
• 2.4.3 光學(xué)性質(zhì)分析49-50
• 本章參考文獻(xiàn)50-53
• 第三章 藍(lán)寶石襯底上TiO_2薄膜制備和性質(zhì)研究53-77
• 3.1 藍(lán)寶石襯底的選取及TiO_2薄膜的制備53-54
• 3.2 A面藍(lán)寶石襯底上TiO_2薄膜的性質(zhì)研究54-59
• 3.2.1 襯底溫度對TiO_2薄膜結(jié)構(gòu)的影響54-56
• 3.2.2 TiO_2薄膜的元素組分分析56-58
• 3.2.3 TiO_2薄膜的光學(xué)性質(zhì)58-59
• 3.3 C面藍(lán)寶石襯底上TiO_2薄膜的性質(zhì)研究59-64
• 3.3.1 襯底溫度對TiO_2薄膜結(jié)構(gòu)的影響59-61
• 3.3.2 TiO_2薄膜的元素組分分析61-63
• 3.3.3 TiO_2薄膜的光學(xué)性質(zhì)63-64
• 3.4 M面藍(lán)寶石襯底上TiO_2薄膜的性質(zhì)研究64-74
• 3.4.1 襯底溫度對TiO_2薄膜結(jié)構(gòu)的影響64-65
• 3.4.2 生長速率對TiO_2薄膜結(jié)構(gòu)的影響65-67
• 3.4.3 TiO_2薄膜的外延生長機(jī)理和微結(jié)構(gòu)67-70
• 3.4.4 TiO_2薄膜的元素組分分析70-72
• 3.4.5 TiO_2薄膜的光學(xué)性質(zhì)分析72-74
• 本章參考文獻(xiàn)74-77
• 第四章 LSAT襯底上TiO_2薄膜制備和性質(zhì)研究77-89
• 4.1 LSAT(001)襯底上TiO_2薄膜的制備77-78
• 4.2 TiO_2薄膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究78-82
• 4.2.1 襯底溫度對薄膜結(jié)構(gòu)的影響78-79
• 4.2.2 襯底溫度對薄膜表面形貌的影響79-81
• 4.2.3 生長速率對薄膜結(jié)構(gòu)的影響81-82
• 4.3 TiO_2薄膜的外延及微結(jié)構(gòu)分析82-84
• 4.4 TiO_2薄膜的元素組分分析84-86
• 4.5 TiO_2薄膜的光學(xué)性質(zhì)86-88
• 本章參考文獻(xiàn)88-89
• 第五章 結(jié)論89-91
• 碩士期間發(fā)表論文目錄91-92
• 致謝92-93
• Paper93-98
• 附件98

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