射频磁控溅射法制备IMO薄膜的结构及性能研究

摘要

透明导电氧化物(TCO)薄膜材料具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同的光电特性，广泛地应用于平面显示器件、太阳能电池、反射热镜、气体敏感器件、特殊功能窗口涂层及其他光电子、微电子、真空电子器件等领域。目前透明导电氧化物薄膜主要包括In2O3、SnO2、ZnO、CdO及其掺杂体系。前人的实验发现，在In2O3薄膜中掺入Mo后，薄膜的电阻率会急剧下降。由于掺杂的Mo以Mo6+离子代替In2O3中In3+离子，Mo6+和In3+离子的价态差为3，使得薄膜在少量的掺杂条件下就可以获得较多的自由载流子，从而具有高的载流子迁移率和低的光学吸收；IMO薄膜因此很快成为新型TCO薄膜中的研究热点。
　　 本文采用射频磁控溅射技术制备高价态差Mo-In2O3透明导电薄膜。研究了铝掺杂量和基片温度等参数对IMO薄膜结构和光电性能的影响。利用XRD、SEM等分析手段对薄膜进行表征与分析；制备了结晶性良好、电阻率较低的IMO薄膜。主要的研究结果及分析如下：
　　 1.从不同IMO薄膜SEM表面形貌图中可以看出，IMO薄膜样品表面较为平整，薄膜表面颗粒均匀致密。同时随着钼掺量的增加，薄膜颗粒的粒径随之减小。
　　 2.X射线衍射谱(XRD)显示IMO薄膜具有与In2O3相同的方铁锰矿结构，没有观察到Mo或其氧化物的结构特征谱线，表明在掺入Mo原子以后，Mo∶In2O3薄膜并没有改变纯In2O3薄膜的结构或形成新的晶格结构。本研究中掺杂量的改变范围对IMO薄膜的晶格结构以及晶粒尺寸的影响不大。在基片温度为350℃左右时，并具有(222)面的择优取向的生长，但是在较低的温度下生长出来的薄膜结晶性能较差，只有一个非晶鼓包而没有明显的衍射峰，随着基片温度的增加，衍射峰逐渐增大，薄膜的结晶性能也逐渐提高。因此适当提高基片的温度，可以制备出结构性能较好的IMO薄膜。
　　 3.制备IMO薄膜较好的工艺条件为：沉积气压为2.0Pa，氩气流量为40Sccm，基底温度为350℃，溅射功率为200W。当钼片大小为2.5×2.5mm时，在这个工艺上获得的IMO薄膜的电阻率为1.53×10-3Ω·cm，载流子迁移率约为23.2cm2V-1s-1，载流子浓度为2.10×1015cm-3，可见光范围(400-700nm)平均可见光透过率大于80％。
　　 4.研究表明，掺杂浓度和基底温度均对采用陶瓷靶的射频磁控溅射法制备的薄膜的光电性能有很大影响。在较高的基底温度和合适的工艺参数(沉积气压、氩气流量及溅射功率)下，溅射粒子获得能量沉积在基底表面，得到结晶较好的IMO薄膜，从而具有高的可见光透过率。
　　 5.根据体系磁性产生的机理，IMO薄膜可能具有一定的磁性。因此测试了IMO薄膜的磁性能，并研究了不同基底温度和Mo掺量对薄膜磁性能的影响。实验结果表明，在掺入Mo后，具有一定的磁性，饱和磁化矩在100emu/cm3左右。磁性能的变化规律随着基底温度升高而增大，随着Mo掺杂浓度提高而增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1透明导电氧化物薄膜概述

1.2二元及多元透明导电氧化物薄膜

1.2.1二元透明导电氧化物薄膜

1.2.2多元透明导电氧化物薄膜

1.3透明导电氧化物薄膜的制备方法

1.3.1真空蒸发法

1.3.2磁控溅射法

1.3.3脉冲激光沉积法

1.3.4溶液镀膜法

1.3.5化学气相沉积法(CVD)

1.3.6分子束外延

1.3.7其它方法

1.4透明导电氧化物薄膜的应用

1.5透明导电氧化物薄膜的发展前景

1.6本文的研究目的、意义和主要研究内容

1.6.1论文研究的目的和意义

1.6.2主要的研究内容

1.7本章小节

第二章 试验部分

2.1靶材的预处理

2.1.1靶材技术指标

2.1.2靶材预处理制备工艺介绍

2.1.3电子束真空蒸镀方法简介

2.1.4实验设备

2.1.5电子束蒸镀镀铜

2.2 IMO薄膜的制备工艺

2.2.1射频磁控溅射法沉积原理

2.2.2射频磁控溅射法制备IMO薄膜

2.2.3试验样品的制备

2.3溥膜的表征方法

2.3.1薄膜的结构表征

2.3.2薄膜的形貌分析

2.3.3薄膜的电学性能表征

2.3.4薄膜的光学性能表征

2.3.5薄膜的磁学性能表征

2.4本章小节

第三章 透明导电IM0薄膜的结构和性能研究

3.1掺量浓度对样品结构和性能的影响

3.1.1不同Mo掺量的XRD图谱

3.1.2不同基底温度的XRD图谱

3.1.3不同沉积气压的XRD图谱

3.1.4不同基底的XRD图谱

3.2 IMO薄膜的表面形貌

3.2.1薄膜厚度的测量

3.2.2不同Mo掺量IMO薄膜的表面形貌

3.2.3不同基底温度下IMO薄膜的表面形貌

3.2.4不同沉积气压下IMO薄膜的表面形貌

3.2.5硅基底上沉积IMO薄膜的表面形貌

3.3 IMO薄膜的电学性能

3.3.1透明导电薄膜的导电机制

3.3.2 IMO薄膜的导电机制

3.3.3不同Mo掺量的IMO薄膜的电性能

3.3.4不同基底温度IMO薄膜的电性能

3.3.5 IMO薄膜的载流子浓度和迁移率

3.4 IMO薄膜的光学性能

3.4.1薄膜的光学性能

3.4.2不同Mo掺量的IMO薄膜的光透过率

3.4.3不同基底温度的IMO薄膜的光透过率

3.5 IMO薄膜的磁学性能

3.5.1不同Mo掺量的IMO薄膜的磁性能

3.5.2不同基底温度下IMO薄膜的磁性能

3.6本章小结

第四章 全文总结

4.1结论

4.2展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的论文