本文關(guān)鍵詞：紅外透明導電氧化物薄膜的制備及光電性能研究

  更多相關(guān)文章： 紅外透明導電氧化物 氧化銦薄膜 錫摻雜氧化銦薄膜 釕摻雜氧化釔薄膜 磁控濺射

【摘要】：在光電系統(tǒng)的發(fā)展過程中,透明導電材料已經(jīng)成為航空航天光電系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。對于紅外光電系統(tǒng)而言,前置大孔徑紅外光學窗口探測紅外信號易受電磁波的干擾,傳統(tǒng)金屬網(wǎng)柵等材料不能滿足紅外波段高透過與電磁屏蔽隱身性能協(xié)調(diào)的要求。針對上述問題,本文在室溫下采用等離子體轟擊輔助磁控濺射制備晶態(tài)中紅外透明導電氧化銦(In2O3)和氧化銦錫(In2O3:Sn)薄膜。系統(tǒng)研究不同負偏壓(|Vp|)對兩種薄膜內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)、光電性能和表面能態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系;采用雙靶磁控共濺射制備遠紅外透明導電釕摻雜氧化釔(Y2O3:Ru)薄膜,研究不同基底溫度和摻雜濃度與成分、結(jié)構(gòu)和光電等性能的聯(lián)系;利用德魯?shù)伦杂呻娮永碚搶ι鲜霰∧げ牧系牡入x子頻率進行擬合,并實現(xiàn)了中、遠紅外的透明導電。等離子體轟擊輔助磁控濺射在室溫下制備的In2O3和In2O3:Sn薄膜,證實晶體結(jié)構(gòu)與其生長條件密切相關(guān)。隨著負偏壓(|Vp|)的增加,In2O3和In2O3:Sn薄膜表面形貌發(fā)生顯著變化,證明等離子體轟擊輔助磁控濺射是一種精細修改表面形貌的可控手段。隨著|Vp|的增加,薄膜內(nèi)部由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài),且晶態(tài)薄膜擇優(yōu)取向也發(fā)生了相應(yīng)的變化。通過光電性能的研究發(fā)現(xiàn),In2O3和In2O3:Sn薄膜在可見光波段的透過率均大于80%,且光學帶隙的變化遵從Burstein-Moss效應(yīng);薄膜隨著|Vp|的增加,兩者電阻率均呈現(xiàn)先降低后增加的變化。In2O3薄膜的變化原因是|Vp|的增加導致氧空位含量減少、載流子濃度降低、遷移率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。相比之下,In2O3:Sn薄膜的變化原因是|Vp|的增加,摻雜的低價態(tài)Sn2+轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r態(tài)Sn4+的量增多,因此載流子濃度有所增加。在|Vp|=|-700 V|制備的In2O3和In2O3:Sn薄膜具有在可見光波段最佳的光電性能;通過紫外熒光光譜法(UPS)證明該技術(shù)有助于改善In2O3和In2O3:Sn薄膜的功函數(shù)。當|-600 V||Vp||-700 V|時,In2O3薄膜氧空位含量減少使得其功函數(shù)提高。當|-700 V||Vp||-900 V|時,In2O3薄膜隨著晶向由222轉(zhuǎn)變?yōu)?00,表面結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)引起表面功函數(shù)的增加。與之相比,In2O3:Sn薄膜功函數(shù)的增加是因為低氧化態(tài)Sn2+向高氧化態(tài)Sn4+轉(zhuǎn)變。在高轟擊能作用下,表面結(jié)合Sn-O鍵增多提高了In2O3:Sn薄膜的功函數(shù)。利用雙靶磁控共濺射制備的Y2O3:Ru薄膜發(fā)現(xiàn),薄膜微觀結(jié)構(gòu)直接受到釕靶射頻功率和基底溫度的影響。薄膜的沉積速率隨釕靶濺射功率的增加而增加。制備Y2O3:Ru薄膜的XRD結(jié)果證實,所有Y2O3:Ru薄膜均為非晶薄膜。XPS測試表明Y2O3:Ru薄膜中含有低能態(tài)的Ru4+-O鍵和高能態(tài)的Ru6+-O鍵。隨著Ru摻雜含量的增加,Ru4+峰的強度增大而Ru6+峰強度減小。當襯底溫度逐漸升高時,Ru6+峰的強度提高而Ru4+峰的強度下降�；魻枩y試分析表明Y2O3:Ru薄膜屬于n型半導體。隨著摻雜含量的增加導致薄膜中的間隙原子等缺陷增多、載流子濃度逐漸增加,最佳的面電阻可達~283.4Ω/□。當襯底溫度升高時,薄膜中缺陷含量相對減少,面電阻增大至~2.17×105Ωcm。UV-VIS-NIR分析表明,釕摻雜含量的增加顯著提高了薄膜中散射質(zhì)點的含量,降低了可見光波段的透過率�？梢姽獠ǘ蔚耐高^率同襯底溫度的升高一同升高,說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間隙原子運動到更加有利的位置。在這兩個過程中,載流子濃度的變化,引起了費米能級上升或下降,從而帶來光學帶隙在1.90~2.54 e V間的變化。根據(jù)德魯?shù)伦杂呻娮永碚搶σ陨先N薄膜材料的等離子波長進行擬合。通過延長等離子波長,沉積In2O3/Y2O3膜系與僅在Zn S基底上沉積In2O3薄膜相比,中紅外透過率提高19%;在沉積Y2O3:Ru薄膜于紅外透明Zn S基底,遠紅外透過率基本與基底透過率相當(~70%);通過設(shè)定延長等離子波長利用并沉積In2O3:Sn于Si O2鏡頭和飛機座艙蓋(PMMA)實現(xiàn)抗紅外熱輻射和電磁屏蔽效果。通過載流子濃度的調(diào)整可以有效地延長和縮短以上三種薄膜材料的等離子波長,可以實現(xiàn)中紅外和遠紅外的透明導電特性。
【關(guān)鍵詞】：紅外透明導電氧化物 氧化銦薄膜 錫摻雜氧化銦薄膜 釕摻雜氧化釔薄膜 磁控濺射
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.2;TQ123.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 緒論13-32
• 1.1 課題研究背景13-14
• 1.2 可供選擇的紅外透明導電薄膜體系14-23
• 1.2.1 金屬薄膜14-15
• 1.2.2 金屬網(wǎng)柵15-17
• 1.2.3 超結(jié)構(gòu)薄膜17-19
• 1.2.4 以氧化物為代表的n、p型透明導電薄膜19-21
• 1.2.5 新型透明碳材料薄膜21-23
• 1.3 紅外透明導電氧化物的實現(xiàn)方法23-30
• 1.3.1 以擴展透過范圍為目的來實現(xiàn)紅外透明導電功能23-28
• 1.3.2 以提高紅外透明薄膜導電性為目的來實現(xiàn)紅外透明導電功能28-30
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容30-32
• 第2章 材料制備及實驗方法32-41
• 2.1 實驗設(shè)計32
• 2.2 薄膜的制備32-37
• 2.2.1 氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜的制備材料及工藝過程32-35
• 2.2.2 釕摻雜氧化釔薄膜的制備工藝35-37
• 2.3 制備薄膜樣品的表征37-41
• 2.3.1 厚度表征37
• 2.3.2 結(jié)構(gòu)表征37-38
• 2.3.3 成分及化學鍵合表征38-39
• 2.3.4 電學性能表征39-40
• 2.3.5 光學性能表征40
• 2.3.6 力學性能表征40-41
• 第3章 等離子體轟擊輔助制備氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性能41-72
• 3.1 引言41
• 3.2 氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜的生長速率41-42
• 3.3 氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜的微結(jié)構(gòu)42-51
• 3.3.1 表面形貌42-46
• 3.3.2 晶體結(jié)構(gòu)46-51
• 3.4 氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜的成分及化學鍵合態(tài)51-59
• 3.4.1 成分表征51-52
• 3.4.2 元素化學鍵合態(tài)52-59
• 3.5 氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜的光電性能59-64
• 3.5.1 電學性能變化59-61
• 3.5.2 光學性能變化61-64
• 3.6 氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜顯微硬度64-65
• 3.7 氧化銦和錫摻雜氧化銦薄膜表面能態(tài)65-70
• 3.8 本章小結(jié)70-72
• 第4章 磁控共濺射制備N型釕摻雜氧化釔薄膜的結(jié)構(gòu)和性能研究72-89
• 4.1 引言72
• 4.2 釕摻雜氧化釔薄膜沉積速率72-73
• 4.2.1 功率大小對釕摻雜氧化釔薄膜沉積速率的影響72-73
• 4.2.2 襯底溫度對釕摻雜氧化釔薄膜沉積速率的影響73
• 4.3 釕摻雜氧化釔薄膜的表面形貌73-76
• 4.4 釕摻雜氧化釔薄膜的晶體結(jié)構(gòu)76-77
• 4.5 釕摻雜氧化釔薄膜成分及化學鍵合態(tài)77-85
• 4.5.1 成分表征77-79
• 4.5.2 元素化學鍵合態(tài)79-85
• 4.6 電學和光學性能85-88
• 4.6.1 電學性能85-86
• 4.6.2 光學性能86-88
• 4.7 本章小結(jié)88-89
• 第5章 紅外透明導電機理分析及應(yīng)用89-108
• 5.1 引言89
• 5.2 紅外透明導電機理分析89-91
• 5.3 硫化鋅窗.鍍制中、遠紅外透明導電氧化物薄膜91-98
• 5.3.1 鍍制中紅外透明導電氧化物91-92
• 5.3.2 鍍制遠紅外透明導電氧化物薄膜92-93
• 5.3.3 提高膜層與硫化鋅基底鍍膜的結(jié)合性和光學性能93-98
• 5.4 二氧化硅鏡頭防熱輻射保護膜98-99
• 5.4.1 實驗步驟99
• 5.4.2 實驗結(jié)果99
• 5.5 具有電磁屏蔽效果座艙蓋的膜系99-106
• 5.5.1 實驗步驟100-102
• 5.5.2 膜層綜合性能檢測102-106
• 5.6 本章小結(jié)106-108
• 結(jié)論108-109
• 創(chuàng)新點109-110
• 參考文獻110-121
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果121-123
• 致謝123-124
• 個人簡歷124

，

本文編號：718970