反应磁控溅射金属掺杂Cu3N薄膜的制备及其特性研究

摘要

Cu3N薄膜由于具有高电阻率,低热分解温度,在红外和可见光波段与Cu单质的反射率有明显的差别,使其在光学存储,高速集成电路以及太阳能电池领域有广泛的应用.由于Cu原子没有占据其(111)面的紧密堆积区域,如果其他原子填充到其体心位置处,将引起其电学和光学性能的显著变化.
　　首先,利用直流反应磁控溅射方法,在Si(100)和ITO玻璃基底上制备了Cu3N薄膜,通过控制实验参数得到了最佳的Cu3N薄膜样品.通过X射线衍射(XRD)分析可知,Cu3N薄膜的择优取向为(111)方向；随着氮气含量的升高,溅射压强的减小,基底温度的升高均会导致薄膜的择优取向由(111)方向变为(100)方向；扫描电子显微镜(SEM)图像表明薄膜表面结构光滑致密,且晶粒显示出近似的棱锥形态,平均晶粒大小约为60-120nm；用四探针测量了薄膜电阻率,发现当氮气含量增加到75％时,薄膜电阻率急剧增加到1170Ω·cm；用紫外可见光分光光度计测量了薄膜的反射率,在紫外可见光范围,反射率较低,在1000nm处,基底温度为150℃时薄膜的反射率高达86.8%.
　　其次,利用射频和直流反应共溅射的方法制备了Ti掺杂Cu3N薄膜.通过XRD发现Ti的掺杂使薄膜的衍射强度减小,随着掺杂时间的增加,在ITO玻璃基底上更容易出现薄膜其他方向的衍射峰；SEM显示随着Ti含量的增加薄膜表面变得粗糙,晶粒大小变得均匀,且晶格常数也接近理论值；掺杂前后薄膜的微观硬度由4.19GPa提高5.04GPa,薄膜的电阻率随着Ti的含量增加而减小,由5730Ω·cm下降到1210Ω·cm,薄膜在紫外可见光范围反射率较低,Ti的掺杂使反射率变大,ITO玻璃基底的薄膜透过率在700nm之前几乎为零,过量的Ti将导致透过率下降；并用Tauc公式计算了薄膜的带隙,发现掺杂Ti后薄膜的带隙由1.39eV减小到1.18eV.
　　最后,利用直流磁控共溅射制备了Co掺杂Cu3N薄膜,XRD显示与Ti掺杂结果相类似,在ITO玻璃基底上更容易出现薄膜其他方向的衍射峰,SEM显示随着Co含量的增加薄膜的表面变得粗糙,晶粒逐渐变成橄榄球状,且晶粒变小,薄膜的电阻率显著下降,从5730Ω·cm下降到225Ω·cm；在紫外光范围薄膜的反射率随着浓度的增加而减小,在可见光范围则几乎不变,光学透过率在700nm之前微乎其微；振动样品磁强计显示掺杂Co后薄膜具有室温铁磁性,适量的掺杂有助于磁性的提高.

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 Cu3N薄膜概述

1.2金属掺杂Cu3N薄膜的概述

1.3 论文的主要内容及研究意义

第二章 Cu3N薄膜的制备与表征方法

2.1薄膜的制备方法

2.2 X射线衍射(XRD)

2.3扫描电子显微镜(SEM)

2.4拉曼光谱(Raman spectrum)测试

2.5薄膜的相关机械性能测试

2.6薄膜的相关光学特性测试

2.7薄膜的相关电学特性测试

2.8薄膜的相关磁学特性测试

第三章 Cu3N薄膜的制备及其特性

3.1 Cu3N薄膜的制备及其结构

3.2 Cu3N薄膜的拉曼光谱和表面形貌

3.3 Cu3N薄膜的电学与光学性能

第四章 金属掺杂Cu3N薄膜的制备及其特性

4.1不同基底上金属掺杂薄膜的制备

4.2 Ti-Cu3N薄膜的制备及特性

4.3 Co-Cu3N薄膜的制备及特性

第五章 结论

参考文献

致谢

附录A:攻读硕士期间发表的文章