基于反應(yīng)氣體和生長(zhǎng)溫度的Nb摻雜TiO2薄膜相圖研究
應(yīng)用射頻磁控濺射設(shè)備在超白玻璃和石英玻璃等非晶基體上生長(zhǎng)Nb 摻雜TiO2薄膜。在固定的電源功率、頻率、靶基距和濺射時(shí)間的條件下，通過(guò)改變基體溫度、反應(yīng)氣體及其含量，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的晶相分布圖。在還原氣體環(huán)境隨著基體溫度的增加得到了金紅石相的Nb 摻雜TiO2薄膜；在氧化氣體環(huán)境中，不同的基體溫度和不同的氧化氣體含量能夠生長(zhǎng)出較為純凈的銳鈦礦相及銳鈦礦相和金紅石相的混相。通過(guò)此相圖的研究能夠?yàn)橹苽淞己玫耐该鲗?dǎo)電薄膜奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
透明導(dǎo)電薄膜由于具有高的可見光透射率和低的電阻率，在抗靜電涂層、觸摸顯示屏、平板顯示(FPDs) 、太陽(yáng)電池、低輻射玻璃、電磁波防護(hù)和隱形安全電路等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高和節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)于大平面顯示和太陽(yáng)電池需求越來(lái)越多，透明導(dǎo)電薄膜作為這兩種器件的關(guān)鍵材料，它的市場(chǎng)需求量正在逐年增加，目前，透明導(dǎo)電薄膜已經(jīng)形成了年產(chǎn)值數(shù)百億美元的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。
透明導(dǎo)電薄膜按照材料種類的不同，可分為金屬和半導(dǎo)體兩大類。對(duì)于金屬材料，金、銀、鋁等材料在透明導(dǎo)電方面具有良好的性能，但這些材料必須制成網(wǎng)格狀或厚度小于20 nm 的薄膜才具有較好的透明效果，此外，純金屬還具有易于氧化和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，因此在生產(chǎn)應(yīng)用方面限制了其大規(guī)模的發(fā)展。半導(dǎo)體材料主要是指金屬氧化物，也被稱為透明導(dǎo)電氧化物( 即TCO) 。自從1907 年Badeker報(bào)道了Cd 膜在輝光放電室沉積氧化后的透明導(dǎo)電現(xiàn)象后，從上世紀(jì)到本世紀(jì)初的上百年時(shí)間內(nèi)，各國(guó)科研工作者研制開發(fā)了幾十種TCO。
目前，光電性能比較理想的材料是摻雜的In2O3、ZnO、SnO2和CdO 等。In 摻雜的CdO 薄膜的電阻率能夠達(dá)到10-5 Ωcm 的數(shù)量級(jí)，但是Cd 及其化合物屬于高度危害級(jí)別物質(zhì)，成為了其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。摻雜的ZnO 和SnO2雖能夠在實(shí)際中應(yīng)用，但它們分別存在化學(xué)性能不穩(wěn)定和制備過(guò)程溫度高等缺點(diǎn)。In2 - x SnxO( ITO) 由于具有低的電阻率( ρ 約為2 × 10-4 Ωcm) 和高的可見光透過(guò)率( T約為80% ～ 90%) ，再加上易于制造和后處理等優(yōu)點(diǎn)，使其在平面顯示和太陽(yáng)能行業(yè)成為一種不可或缺的重要原材料。但是，由于In是稀有金屬，ITO 薄膜面臨著材料短缺和價(jià)格升高的危險(xiǎn)，因此激發(fā)了科研工作者研究開發(fā)含量豐富價(jià)格便宜的元素替代稀有的In元素來(lái)制備透明導(dǎo)電薄膜。TiO2由于具有原料豐富( Ti 元素在地殼中的豐度大約為0.5%) 、成本低廉、無(wú)毒、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，倍受科研工作者的青睞，同時(shí)真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為TiO2還具有帶隙寬( Eg = 3.2 eV) 、接近于1m0的電子有效質(zhì)量( m0是自由電子的質(zhì)量) 、高的折射率( n 約為2.4) 和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)只有銳鈦礦相Nb 摻雜的TiO2( TNO) 薄膜具有和ITO 類似的光、電性能。因此，薄膜的晶相結(jié)構(gòu)是影響TNO 薄膜的電阻率的一個(gè)重要因素。
1、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)選用射頻磁控濺射設(shè)備，靶材為TiO2:Nb6%( 原子比) ( TOSHIMA，Φ10 cm) 的陶瓷靶；電源濺射功率為50 W，頻率為25 kHz；真空室的本底壓強(qiáng)達(dá)到10 -5 Pa，工作壓強(qiáng)約為10 -1 Pa；每次工作前，都在純Ar 氣體中預(yù)濺射10 min 左右，以除去靶表面雜質(zhì)層；通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)工作溫度和反應(yīng)氣體及反應(yīng)氣體的含量對(duì)薄膜的晶相的生成具有非常重要的影響，因此，工作溫度為室溫至600℃變化，反應(yīng)氣體f(O2) = O2 /( Ar + O2) 或f (H2) = H2 /(Ar +H2) 為0 ～ 1. 25% 變化；每次的濺射時(shí)間為60 min;靶基距為6.5 cm。薄膜沉積的基體材料為10 mm× 10 mm 的超白玻璃及石英玻璃。薄膜的晶相結(jié)構(gòu)通過(guò)X 射線衍射(XRD) 儀進(jìn)行表征。
3、結(jié)論
研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用射頻磁控濺射設(shè)備能夠在超白玻璃和石英玻璃等非晶基體上生長(zhǎng)具有一定晶相的薄膜。同時(shí)發(fā)現(xiàn)基體溫度和反應(yīng)氣體種類與含量是決定薄膜晶相種類的主要因素。在前期的研究中，還發(fā)現(xiàn)在還原氣體環(huán)境中得到的金紅石相具有一定的導(dǎo)電功能，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到10 - 4 Ωcm 數(shù)量級(jí)，而在氧化氣體環(huán)境中得到銳鈦礦相卻表現(xiàn)了絕緣的特性。一些文獻(xiàn)報(bào)道，只有銳鈦礦相的Nb 摻雜TiO2薄膜具有很好的導(dǎo)電性，因此，可以在氧化氣體環(huán)境中在非晶基體上首先生長(zhǎng)一層具有銳鈦礦相的Nb摻雜TiO2薄膜，之后再在還原氣體環(huán)境中外延生長(zhǎng)一層具有氧缺陷的Nb 摻雜TiO2薄膜，這樣就可得到具有良好透明導(dǎo)電功能的薄膜。Nb 摻雜TiO2薄膜相圖研究對(duì)于進(jìn)一步的研究透明導(dǎo)電薄膜具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意義。
