本文關(guān)鍵詞：紅外透明導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(duì)于紅外光電系統(tǒng)而言,前置大孔徑紅外光學(xué)窗口探測(cè)紅外信號(hào)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(duì)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(dǎo)電氧化銦(In2O3)和氧化銦錫(In2O3:Sn)薄膜。系統(tǒng)研究不同負(fù)偏壓(|Vp|)對(duì)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(yuǎn)紅外透明導(dǎo)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?duì)上述薄膜材料的等離子頻率進(jìn)行擬合,并實(shí)現(xiàn)了中、遠(yuǎn)紅外的透明導(dǎo)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(shí)晶體結(jié)構(gòu)與其生長(zhǎng)條件密切相關(guān)。隨著負(fù)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(xì)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(xué)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(dǎo)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(shì)。相比之下,In2O3:Sn薄膜的變化原因是|Vp|的增加,摻雜的低價(jià)態(tài)Sn2+轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)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(dāng)|-600 V||Vp||-700 V|時(shí),In2O3薄膜氧空位含量減少使得其功函數(shù)提高。當(dāng)|-700 V||Vp||-900 V|時(shí),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?yàn)榈脱趸瘧B(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(shí),所有Y2O3:Ru薄膜均為非晶薄膜。XPS測(cè)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(qiáng)度增大而Ru6+峰強(qiáng)度減小。當(dāng)襯底溫度逐漸升高時(shí),Ru6+峰的強(qiáng)度提高而Ru4+峰的強(qiáng)度下降�；魻枩y(cè)試分析表明Y2O3:Ru薄膜屬于n型半導(dǎo)體。隨著摻雜含量的增加導(dǎo)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(dá)~283.4Ω/□。當(dāng)襯底溫度升高時(shí),薄膜中缺陷含量相對(duì)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)到更加有利的位置。在這兩個(gè)過程中,載流子濃度的變化,引起了費(fèi)米能級(jí)上升或下降,從而帶來(lái)光學(xué)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?duì)以上三種薄膜材料的等離子波長(zhǎng)進(jìn)行擬合。通過延長(zhǎng)等離子波長(zhǎng),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(yuǎn)紅外透過率基本與基底透過率相當(dāng)(~70%);通過設(shè)定延長(zhǎng)等離子波長(zhǎng)利用并沉積In2O3:Sn于Si O2鏡頭和飛機(jī)座艙蓋(PMMA)實(shí)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(zhǎng)和縮短以上三種薄膜材料的等離子波長(zhǎng),可以實(shí)現(xiàn)中紅外和遠(yuǎn)紅外的透明導(dǎo)電特性。
【關(guān)鍵詞】：紅外透明導(dǎo)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(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電氧化物的實(shí)現(xiàn)方法23-30
• 1.3.1 以擴(kuò)展透過范圍為目的來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外透明導(dǎo)電功能23-28
• 1.3.2 以提高紅外透明薄膜導(dǎo)電性為目的來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外透明導(dǎo)電功能28-30
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容30-32
• 第2章 材料制備及實(shí)驗(yàn)方法32-41
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xué)鍵合表征38-39
• 2.3.4 電學(xué)性能表征39-40
• 2.3.5 光學(xué)性能表征40
• 2.3.6 力學(xué)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(zhǎng)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(xué)鍵合態(tài)51-59
• 3.4.1 成分表征51-52
• 3.4.2 元素化學(xué)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(xué)性能變化59-61
• 3.5.2 光學(xué)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(duì)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(duì)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(xué)鍵合態(tài)77-85
• 4.5.1 成分表征77-79
• 4.5.2 元素化學(xué)鍵合態(tài)79-85
• 4.6 電學(xué)和光學(xué)性能85-88
• 4.6.1 電學(xué)性能85-86
• 4.6.2 光學(xué)性能86-88
• 4.7 本章小結(jié)88-89
• 第5章 紅外透明導(dǎo)電機(jī)理分析及應(yīng)用89-108
• 5.1 引言89
• 5.2 紅外透明導(dǎo)電機(jī)理分析89-91
• 5.3 硫化鋅窗.鍍制中、遠(yuǎn)紅外透明導(dǎo)電氧化物薄膜91-98
• 5.3.1 鍍制中紅外透明導(dǎo)電氧化物91-92
• 5.3.2 鍍制遠(yuǎn)紅外透明導(dǎo)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(xué)性能93-98
• 5.4 二氧化硅鏡頭防熱輻射保護(hù)膜98-99
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)步驟99
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟100-102
• 5.5.2 膜層綜合性能檢測(cè)102-106
• 5.6 本章小結(jié)106-108
• 結(jié)論108-109
• 創(chuàng)新點(diǎn)109-110
• 參考文獻(xiàn)110-121
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果121-123
• 致謝123-124
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷124

，

本文編號(hào)：718970