等离子体辅助电子束蒸发沉积N掺杂TiO薄膜及等离子体参数诊断与研究

摘要

半导体氧化物TiO2作为一种来源广泛，化学性能稳定，对生物无毒等优点的材料被应用到纳米薄膜技术中来，引起了国内外研究者的广泛兴趣。TiO2是一种宽禁带半导体化合物，其禁带宽度约为3.2eV（锐钛矿），只有在波长较短的紫外光激发下才能表现出对光吸收的活性，改变TiO2的禁带宽度使吸收光谱向可见光扩展可以提高太阳能利用率。掺杂是一种能够降低TiO2禁带宽度非常有效的方法，Ti O2掺杂目前主要有两种方法：金属元素掺杂和非金属元素掺杂。本文利用高真空离子束辅助电子枪蒸发沉积法制备了非金属N元素掺杂的TiO2薄膜。
　　 本文首先利用Langmuir单探针探究等离子体辅助实验装置反应室内不同测量孔等离子体密度的轴向分布特性及等离子体密度随着气压等的变化特性，从而寻找出更佳的沉积薄膜的工艺，结果表明：靠近离子源源口中心位置的等离子体密度高，远离中心位置的等离子体密度相应偏低，在外孔离子密度最大，可达到3.8×109/cm3，而在中孔和里孔的离子密度明显偏低，且外孔和中孔密度变化大而里孔密度变化比较缓慢。由此可知里孔区域离子密度分布均匀性好，适合于蒸镀薄膜。此外，在反应室的同一个位置，等离子体密度随着气压的增大而增大。而等离子体密度在沿轴向位置的变化方面，则随着距离离子源轴向位置的增大而密度变小。
　　 利用传统的高真空技术，结合产生高密度的等离子体源的ICP和电子束磁偏转技术，在玻璃衬底上制备出了纯TiO2薄膜和N掺杂TiO2薄膜。在蒸镀薄膜时，改变工艺参数，如电子束电流、气体流量等，并对薄膜进行退火处理。通过对薄膜进行XRD、AFM、UV-Vis、FT-IR等测试表明：
　　 1.AFM分析可知，随着衬底温度的升高，薄膜颗粒的直径和高度明显增加，但颗粒之间的聚集度较弱，同时薄膜的平均粗糙度也单调增加，从100℃时的62.81nm 增加到200℃时的175.44nm；对薄膜样品进行退火处理，可以使薄膜纳米颗粒晶化，而且随着退火温度的升高（300℃～500℃），晶粒尺寸越大，晶化也越完全。
　　 2.XRD分析N掺杂TiO2薄膜可知，在衬底温度为100℃～200℃时，薄膜没有衍射峰出现，Ti O2呈非晶态；通过对薄膜样品的退火处理，可以使TiO2纳米颗粒向锐钛矿相转变，并且随着退火温度的升高（300℃～500℃），薄膜晶型发育越完全，结晶程度越完好，由非晶转变为锐钛矿相，呈A（101）晶面择优取向。
　　 3.FT-IR分析可知，在1581cm-1处的吸收峰，是由N=0的伸缩振动引起的，而且随着退火温度的升高强度略有增加；随着热处理温度的升高，Ti-0和Ti-0-Ti基团的振动峰向低波数方向移动，从未经热处理的833cm-1减少到500℃热处理后的821cm-1。红外光谱图中分析显示锐钛矿中的Ti-0键振动峰随温度的升高有红移的现象产生。
　　 4.UV-Vis分析纳米N掺杂TiO2薄膜可知，少量的N掺杂减小了TiO2的禁带宽度，并且随着退火温度的升高，禁带宽度逐渐减小，从3.2eV减小到3.02eV，需要激发价带电子跃迁到导带即吸收的光子能量减小，边缘波长显示了红移。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1．1 N掺杂TiO2薄膜研究现状及发展趋势

1．1．1 金属元素掺杂

1．1．2 非金属元素掺杂

1．1．3 其他掺杂

1．2 N元素掺杂形态

1．3 N掺杂TiO2薄膜制备方法

1．3．1 溶胶—凝胶法

1．3．2 溅射法

1．3．3 高温焙烧法

1．3．4 脉冲激光沉积法(PLD)

1．3．5 化学气相沉积法

1．3．6 制备N掺杂TiO2薄膜的其它方法

1．4 N掺杂TiO2薄膜的应用研究

1．5 本文研究的目的、意义和基本内容

第二章 等离子体实验装置及原理

2．1 等离子体辅助电子束蒸发沉积TiO2实验装置

2．2 等离子产生和引出系统及原理

2．2．1 离子源主要结构

2．2．2 离子源工作原理与使用方法

2．3 EPD—500真空镀膜机操作步骤

2．4 离子体辅助电子束蒸发镀膜的优点

2．5 本章小结

第三章 等离子参数诊断

3．1 LANGMUIR静电单探针诊断

3．1．1 等离子体鞘层理论

3．1．2 Langmuir静电单探针诊断原理

3．2 LANGMUIR静电单探针诊断装置及密度分布特性

3．2．1 离子束辅助电子枪单探针诊断装置

3．2．2 离子束辅助等离子体密度分布特性

3．3 本章小结

第四章 等离子辅助电子枪蒸发沉积N掺杂TiO2薄膜工艺

4．1 基片清洗工艺

4．2 制备N掺杂TiO2薄膜和纯TiO2薄膜

4．2．1 制备N掺杂TiO2薄膜

4．2．2 制备高纯TiO2薄膜

4．3 N掺杂TiO2薄膜样品的工艺参数

4．4 N掺杂TiO2薄膜样品的退火处理

第五章 N掺杂TiO2薄膜的表征

5．1 N掺杂TiO2薄膜的AFM分析

5．1．1 AFM工作原理

5．1．2 AFM测试结果与分析

5．2 N掺杂TiO2薄膜的XRD分析

5．2．1 XRD工作原理

5．2．2 XRD测试结果与分析

5．3 N掺杂TiO2薄膜的红外光谱(FT—IR)分析

5．3．1 FT—IR工作原理

5．3．2 FT—IR测试结果与分析

5．4 N掺杂TiO2薄膜的紫外—可见光谱(UV—Vis)分析

5．4．1 UV—Vis工作原理

5．4．2 UV—Vis测试结果与分析

5．5 本章小结

第六章 结论

6．1 结论

6．2 需要进一步解决的问题

参考文献

致 谢