单相Ag2O光存储和磁光存储薄膜的射频磁控溅射研究

摘要

本文利用射频磁控溅射(RF sputtering)技术,通过调制氧氩比(OFR=[02]/[Ar])、衬底温度(T)和溅射功率(P)在玻璃衬底上制备了一系列单相Ag2O薄膜,并重点研究了不同工艺参数对Ag2O薄膜的微结构和光学性质的影响。利用X射线衍射谱和扫描电子显微镜对薄膜的微结构和表面特性进行了表征；利用分光光度计、椭圆偏振光谱技术和经典的单振子模型研究了Ag2O薄膜的光学性质,并拟合了与薄膜光学性质相关的光学常数等物理参数。在此基础上,通过构建通用振子模型研究了薄膜的微结构和光学性质之间的关系。主要的创新性研究结果如下:
　　 1.用RF sputtering技术制备了单相的Ag2O薄膜,使氧化银薄膜热分解临界温度降低到约200℃。提出将RF sputtering技术制备的单相Ag2O薄膜取代两相结构的AgxO薄膜有可能有效解决AgxO在短波方向的光存储和磁光存储应用瓶颈。
　　 2.采用RF sputtering技术,在T=200℃,OFR=0.667,P=200W条件下制备了具有最好的<111>择优取向的单相Ag2O薄膜。随着P从120 W增大到240 W,薄膜的<111>方向上的平均晶粒尺寸会先从22.92 nm增大到27.96nm,然后再减小到26.66 nm,薄膜表面结构会从均匀、致密的表面结构向疏松、多孔结构的演变。
　　 3.采用RF sputtering技术,在P=200 W,OFR=0.667条件下通过改变T制备了一系列的Ag2O薄膜。T≤200℃时,制备的Ag2O薄膜均呈现出良好的<111>择优取向。随着T从100℃升高到225℃,Ag2O薄膜的结晶趋于变差。随着T的增大,Ag2O薄膜<111>方向上的平均晶粒尺寸从17.79 nm增加到30.60 nm.。薄膜的表面结构明显呈现了从均匀、致密的表面结构向疏松、混乱沟壑结构的演变。薄膜透明区的反射率和透射率随T的逐渐增大逐渐降低,而吸收率逐渐增高。随着T的增大,制备的Ag2O薄膜的光学带隙Eg,opt总体从3.25 eV减小到2.77 eV。
　　 4.利用RF sputtering技术,在T=200℃,P=200 W的条件下通过改变OFR制备了一系列的Ag2O薄膜,其中OFR=0.667条件下制备的单相Ag2O薄膜的质量最好,该薄膜具有明显的<111>择优取向。随着OFR的增加,薄膜的<111>方向的平均晶粒尺寸从23.65 nm增大到28.41 nm,而薄膜的电导率在不断地下降大小保持在10-4的数量级。薄膜在近红外区的透射率均超过70％,在可见光区域急剧下降。薄膜的光学带隙在3.266 eV和3.107 eV之间。
　　 5.借助测量的椭圆偏振光谱,并利用通用振子模型(包括1个Tauc-Lorentz振子和2个Lorentz振子)拟合了单相Ag2O薄膜的厚度、折射率、消光系数和光学带隙等参数。结果显示,正常色散发生在2.13 eV以下,反常色散发生在3.3 eV以上,与等离子振动频率一致。E0和Ed分别是单振子的能量和散射能,拟合的单振子模型参数E0和Ed分别为3.546 eV和13.367 eV。表明由射频磁控溅射法制备的Ag2O薄膜为离子型合物。根据单一谐振子模型,计算的带隙参数Ea和等离子频率hωp分别为0.89 eV和3.44 eV。