常压等离子化学气相沉积纳米晶TiO多孔薄膜的研究

摘要

近年来，常压介质阻挡放电等离子薄膜气相沉积的研究逐渐兴起，是继真空等离子体气相沉积薄膜之后，很引人关注的一种制备薄膜的方法，由于不受任何真空条件的限制，能耗小，在工业应用上有着广泛的前景。 本文阐述了通过常压介质阻挡放电等离子体化学气相沉积方法(AP—PECVD)，利用四氯化钛作为钛源，与氧气、氩气混合，在不同的反应条件下进行气相沉积反应，制备纳米晶TiO2多孔薄膜。 首先，自行设计并搭建了一套介质阻挡放电装置，对常压介质阻挡放电过程进行了研究。测定并分析了其放电参量，包括放电频率、电压、电流以及放电功率，研究了介质阻挡放电发射光谱与放电参量的关系，并对电子激发温度加以测量计算，便于从机理上控制放电条件，控制薄膜的沉积过程。实验结果表明在给定的实验条件下，放电形貌较均匀，电流-电压波形曲线显示了丝状放电的特征。等离子体发射光谱表明放电等离子体中包含Ti2+、O、Cl-等组分，这证明单体与载气在放电过程中被裂解，得到了合成二氧化钛薄膜所需的活性物种。随放电功率升高，发射光谱图中的元素对应的峰强值增加，这说明在介质阻挡放电等离子体中，随着功率的增加，放电细丝密度增加，电子密度与离子密度逐渐增加。通过借助对氩气等离子体的近似计算，得到了常压介质阻挡放电中的电子激发温度约为0.67eV。 其次，我们考察了放电功率、沉积时间、载气流量配比、衬底偏压、后处理等因素对常压介质阻挡放电等离子体化学气相沉积薄膜的沉积速率、表面形貌、化学组成、化学结构、结晶度等特性的影响。利用自动椭圆偏振测量仪测定薄膜的厚度，采取高分辨透射电镜(HRTEM)与扫描电镜(SEM)观察薄膜表面形貌，通过热台偏光显微镜(PMWHS)与X射线衍射(XRD)来观察、表征薄膜的结晶度，利用X射线能谱(EDS)与X—射线光电子能谱(XPS)检测薄膜化学组成以及傅立叶变换红外光谱(FTIR)表征薄膜的化学结构。 以上的分析结果表明：常压等离子化学气相沉积得到的薄膜是一种由众多小颗粒(其中主要为尺度在20—30nm的颗粒)的颗粒串联形成的网孔结构，并且在薄膜生长过程中一部分的颗粒被包埋在其中，薄膜颗粒分布较均匀。薄膜的沉积速率随着放电功率的增加而增加，而在放电功率保持不变时，单体气流量越大，薄膜的沉积速率越大。随着单体通入量的提高，薄膜上的颗粒变得密集，易团聚，对薄膜的均匀性有很大的破坏，导致成膜结构的不稳定。在对衬底施加偏压后，改变了薄膜颗粒的生长方式，类似串联密堆集式生长，而且偏压值升高后，颗粒之间紧密堆集的现象愈加明显。 XRD测试结果表明，薄膜存在位于20=25.3°的衍射峰，这是晶体TiO2锐钛矿结构(101)面的衍射峰，说明常压等离子化学气相沉积TiCl4可以获得锐钛矿结构TiO2，采用Bragg—Scherrer公式计算得到平均晶粒大小约80nm，而在后处理温度500℃时，结晶峰变得更尖锐且强度提高，薄膜结晶度得到很大的提高。EDS检测薄膜成分主要含Ti、O、Cl元素，红外光谱表明膜中存在的化学键主要含有Ti—O、C=O。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1纳米晶TiO2多孔薄膜的光电转化基础

1.2纳米晶TiO2薄膜的制备

1.3常压等离子化学气相沉积

1.3.1等离子体概述

1.3.2等离子体化学气相沉积技术的基本特征

1.3.3常压等离子化学气相沉积薄膜

1.3.4影响常压等离子化学气相沉积的工艺参数

1.3.5等离子体介质阻挡放电的现状和存在的问题

1.4本文的研究内容与目标

第2章实验设计

2.1常压等离子化学气相沉积薄膜实验

2.1.1实验装置及实验步骤

2.1.2常压介质阻挡放电电压一电流参量的测定

2.1.3常压介质阻挡放电功率参量的测定

2.1.4等离子体发射光谱的诊断研究及电子激发温度的测定

2.2反应气体与单体原料

2.3纳米薄膜表征

2.3.1薄膜的沉积速率

2.3.2薄膜的表面形貌

2.3.3薄膜的结晶形态及结晶度

2.3.4薄膜的化学组成及化学结构

第3章常压等离子化学气相沉积放电过程研究

3.1介质阻挡放电的过程与特征

3.1.1丝状放电

3.1.2大气压辉光放电

3.2介质阻挡放电的物理过程

3.3介质表面电荷对后续放电的影响

3.4介质阻挡放电特性分析

3.5介质阻挡放电功率的测量

3.5.1介质阻挡放电功率

3.5.2李萨如图形测量原理

3.5.3李萨如图形测量结果及讨论

3.6介质阻挡放电发射光谱诊断研究

本章小结

第4章常压等离子化学气相沉积薄膜的表征

4.1薄膜均匀性及沉积速率

4.1.1薄膜厚度分布情况

4.1.2薄膜的沉积速率

4.2薄膜的表面形貌

4.2.1 TiCl4流量对薄膜沉积形态的影响

4.2.2衬底偏压对薄膜的表面形貌的影响

4.3薄膜的化学组成分析

4.4薄膜的化学结构分析

4.5薄膜的结晶分析

4.5.1偏光显微镜(Polarizing Microscope)观察薄膜结晶形态

4.5.2 X射线衍射谱(XRD)测试

本章小结

第5章结论

参考文献

研究生在读期间学术论文的发表及专利申请情况

致谢