Paper-ITO薄膜的光学性质及其测量

北京工业大学硕士学位论文ITO薄膜的光学性质及其测量姓名：李天璘申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：高国20090501ITO薄膜的光学性质及其测量作者：李天璘学位授予单位：北京工业大学相似文献(4条)1.学位论文曹春斌椭圆偏振光谱技术及其对功能薄膜材料的性能表征2006近几十年来，随着自动椭偏仪的发展和完善，椭偏光谱技术作为表征光学性质和块材以及薄膜分层结构的一种非破坏性工具已经逐渐地普及。与传统的测试手段相比，它具有非破坏性、非苛刻性、高精度和高灵敏度等优点。通过椭偏测量，可以在很短的时间内得到从近紫外到近红外范围内的椭偏参数ψ和△随波长变化的全谱。然后对ψ和△进行解谱，可以得到诸如介电常数、光学常数、膜层厚度和复合膜中各个成分的组分等参数。逐渐成为测量超薄膜、超晶格、多层膜等各种薄膜材料的厚度和光学常数的一种重要的技术手段。为了对椭偏光谱技术有一个全面的了解和研究，本论文主要从以下几个方面展开工作：首先，详细阐述了国内外椭偏仪以及椭偏技术的发展历史、现状和特点，并且介绍了它在各个领域中的应用。然后，从理论上研究了椭圆偏振光谱技术原理，详细推导出环境媒质-薄膜-基片系统所遵循的椭偏方程，然后研究了光度式椭偏仪的测量原理，进而给出椭偏参数与光学常数之间的关系。在第三章介绍了两种常用的椭圆偏振测量仪的硬件组成和测量的自动化改进，同时给出RAP-Ⅰ型椭偏光谱仪的工作原理。第四章介绍了椭偏数据解谱软件的各个主要窗口及其功能，并对解谱时常用的算法和拟合模型进行了较为详细的描述，同时介绍了判别解谱结果精确度的重要指标均方根误差(RSME)。最后在第五章中，分四个部分介绍了椭偏测量术的应用。第一，椭偏测量术在超薄金属薄膜中的应用。用直流溅射法制备了五个厚度的超薄Ag膜，透射电镜(TEM)图像表明厚度低于30nm的薄膜样品均为非连续的。通过对椭圆偏振光谱仪测量数据进行解谱得到五个样品的厚度分别为4.0、6.2、12.5、26.2和30.0nm。从拟合结果中的消光系数k图谱中发现，在Ag1到Ag4样品中分别于477、539、590和689nm处出现了表面等离子体共振峰，而Ag5样品没有出现。分析认为表面等离子体共振峰是由于入射的P偏振光与Ag纳米粒子侧面位置的电子等离子体激元偶合而产生的。同时在Ag1和Ag2样品消光系数k图谱的高能端288nm处出现了另一吸收峰，并对此进行了分析。第二，椭偏测量术在透明导电ITO薄膜中的应用。用溅射法在Si片上制备了厚度为140.5nm的ITO薄膜，用椭偏仪对所制备的薄膜进行了测量。分别用Drude+LorentzOscillator模型、有效介质近似(EMA)和Graded(层进)模型对测量所得的椭偏参数ψ、△进行了拟合，得到ITO薄膜的折射指数n的变化范围在1.8～2.6之间，可见光范围内消光系数k很小，在350nm波长处开始明显变化，随着波长的减小k迅速增加。计算得到所制备ITO薄膜的光学带隙。并在1.5～4.5eV段给出一套较为可靠的、具有使用价值的光学参数数值。第三，ITO薄膜的透射谱解谱。用直流磁控溅射法在普通载波片上制备了厚度130nm左右的ITO薄膜，分别在100、200、300和400℃下退火1小时。测量了未退火和退火后几个样品的XRD和透射率，然后建立适当的模型对几个样品的透射谱进行拟合，结果表明，未退火样品为非晶结构，退火后为多晶结构；退火温度在300℃以下的样品，随着退火温度的升高其n和k值都有明显的降低，退火温度为400℃的样品n和k值却反常增大，对其原因进行了理论分析。并计算得到了直接带隙在3.7～3.9eV之间。第四，用溅射法在载波片上制备了Ag体积分数为0.3％的Ag-ITO复合薄膜。对复合薄膜的透射谱进行了拟合，发现与未掺Ag的ITO薄膜相比，Ag-ITO复合薄膜在整个300～800nm波段的n值都有大幅度升高；在可见、近红外波段的k值变化不大，但在近紫外波段k值增加很大。由此可见，掺Ag对薄膜的光学行为有明显的影响。2.学位论文李世涛透明导电ITO及其复合薄膜的研究2006作为应用最为广泛的n型透明导电氧化物(TCOs)——锡掺杂氧化铟(ITO)一直是材料和电子领域研究的热点之一。由于金属铟属于稀缺资源，因此节约铟用量是一项重要的课题。为此，本论文从事了三个方面的研究：（1）用化学共沉淀法制备了四种特殊形貌的纳米ITO粉末，并制作了防红外辐射的纳米ITO/高分子复合涂层；（2）通过降低ITO(9:1)陶瓷靶中In含量，利用rf磁控溅射沉积透光率高、方阻低和表面质量高的ITO(1:1)薄膜；（3）优化设计并制备纳米Ag基ITO(1:1)复合三层膜系IAI薄膜，进一步降低方阻，且透光率高、表面平整。详细分析了合成工艺参数对纳米ITO粉末形貌和晶体结构的影响，深入研究了rf磁控溅射工艺条件对ITO(9:1)、ITO(1:1)、Ag膜和IAI复合膜系的晶体结构、微观形貌/组织和光电性能的影响，用AFM、SEM和XRD表征了ITO材料的微观结构，XPS分析了薄膜的表面化学状态，分光光度计、椭偏仪、四探针测试仪和Hall测试系统测试了薄膜的光电性能。主要结论如下：用化学共沉淀法制备出纳米棒状ITO(9:1)前驱体——In(OH)3-H2[Sn(OH)6]，煅烧后获得立方晶型的纳米棒状ITO粉末，Sn4+完全掺杂到In2O3晶格中。水浴温度Tb对前驱体的形貌有重要影响：Tb为40℃时呈球形，Tb为100℃时呈棒状颗粒。延长老化时间，棒状颗粒轴径比增大，说明前驱体沿In(OH)3的[100]方向继续生长。在酸性、碱性、中性环境中，纳米前驱体分别为类块状的In(OH)3+Sn3O2(OH)2混合相、方块状的单一In(OH)3相、球形In(OH)3+InOOH混合相。研究表明：前驱体转变为ITO的过程为吸热过程，反应pH值对相转变温度Tc有显著影响。纳米ITO粉末形貌“遗传”了前驱体的形貌，In3＋与NH4+络合使前驱体易形成棒状颗粒，而In3＋与Cl－络合则易形成方块状颗粒。ITO涂层具有强的紫外吸收性、高可见光的透光率（~80％）和高红外的反射率（~60％），但其导电率较低。所制备的ITO聚合物复合涂层可以代替防红外辐射的Low-E玻璃。将ITO靶材与紫铜板焊接能提高靶的冷却效率，避免其热应力开裂。分析表明：ITO靶的节瘤（Nodule）和中毒起初主要与表面异物有关，后来与Nodule分解引起成分偏析有关。Nodule的形成机制有两种可能：Particle熔点较低时为核长大机制，Particle熔点较高时为遮蔽机制。首次用rf磁控溅射法制备出表面为蜂窝状的ITO(9:1)薄膜，其表面粗糙度低、与靶材中In/Sn一致。研究表明：随着氧流量增加，ITO薄膜表面蜂窝状形貌逐渐消失，沿(222)晶面以柱状晶生长，这是因为氧使薄膜结晶改善、晶格缺陷减少。退火后薄膜沿[111]晶面择优生长，表面为主晶-次晶(grain-subgrain)结构。薄膜（基体不加热）随着溅射负偏压的增加，结晶逐渐完善并沿着[111]方向择优生长，由垂直柱状晶逐渐变为平行于基体的致密纤维状组织。制备出含In量低的ITO(1:1)靶材和非晶态薄膜，研究表明：ITO(1:1)薄膜的折射率与氧流量fo2有关，这是因为薄膜中存在SnO和Sn3O4亚氧化物使其光电性能恶化；ITO薄膜载流子浓度主要受氧空位的影响，因此应严格控制氧流量。溅射氩气压强增加，薄膜电阻率增加，折射率n在1.97～2.21之间变化。溅射时红外辐射温度TIR对薄膜方阻、薄膜透射率和折射率有重要影响。SEM表征发现TIR和溅射方式改变了ITO薄膜表面的grain-subgrain组织和粗糙度Rp-v值，这主要与薄膜生长模式变化有关。退火ITO(1:1)薄膜仍为非晶态，但性能得到改善，薄膜透光率可以达到90％，方阻为Rs＝13.1Ω/□。电性能分析和AFM表征说明：随着沉积时间(厚度)的增加，薄膜出现三个生长阶段，对应着三种不同的导电机制，这说明ITO薄膜的电阻率表现出明显的尺寸效应。通过电阻率计算得到的薄膜临界尺寸dc与AFM观察的结果十分接近。根据溅射镀膜的特点对Thornton的结构分区理论进行修正得到ITO薄膜的微观形貌生长机理：氧流量对ITO薄膜微观结构的影响主要是由化学迁移率引起的；负偏压对ITO薄膜微观结构的影响主要是由轰击迁移率引起的。通过理论计算和实验求解得到最优增透膜IAI三层复合膜系的设计方案：60(nm)ITO/12(nm)Ag/60(nm)ITO。IAI膜表面粗糙度Rp-v＝8.6nm、Rrms＝1.2nm。IAI膜的Rs与dAg值有关：当IAI中的Ag膜为连续膜层时(dAg12nm)，IAI的Rs取决于Ag膜的Rs。当dI=120nm，IAI的透光率最大可达到90％，Rs=2.5Ω/□，ε0.045。这说明所制备的IAI和ITO(1:1)薄膜的综合光电性能指数高。3.期刊论文李世涛.乔学亮.陈建国.LiShitao.QiaoXueliang.ChenJianguo氧流量对铟锡氧化物薄膜光电性能的影响-稀有金属材料与工程2006,35(1)采用射频磁控溅射法,在不同氧流量(0～10sccm)的条件下沉积了铟锡氧化物(In2O3-SnO2)透明导电薄膜.紫外分光光度计测试薄膜的透射率,四点探针测试薄膜的方阻,椭偏仪测试薄膜的复折射率和薄膜厚度,XPS测试ITO薄膜的成分和电子结构.结果表明:薄膜的沉积速率和折射率与氧流量有关,薄膜厚度为60nm,氧流量在9sccm时,透射率超过80%(波长λ=400nm～700nm,包括玻璃基体),退火后透射率、方阻明显改善.XPS分析表明,薄膜中的亚氧化物的存在降低了薄膜的光电性能,控制氧流量可减少亚氧化物.4.学位论文李雪勇掺铝氧化锌（ZAO）薄膜的结构、电学和光学性能研究2006掺铝氧化锌(ZAO)薄膜由于其独特的光学和电学性能“透明、导电”而倍受人们的青睐。与In,2O,3：Sn(ITO)薄膜相比，ZAO薄膜具有原材料自然界储量丰富、易于制造、成本低廉、无毒、热稳定性和化学稳定性好等优点，因此，其必将成为新一代透明导电氧化物薄膜的代表。目前，ZAO薄膜没有形成商业化生产的主要原因是工业化大面积生产制备技术还不过关，制备工艺的可重复性、可靠性及成膜质量的均匀性都较差，人们还没有找出最佳的制备工艺参数。通过对ZAO薄膜制备技术及工艺的研究，分析制备工艺与ZAO薄膜组织结构及光、电性能的关系，探索稳定、可靠、可重复的最佳制备工艺，获得均匀的ZAO薄膜，实现ZAO薄膜的批量化生产，具有重要的生产应用价值和经济效益。本文在综述国内外ZAO薄膜的研究发展概况基础上，采用制备实验研究与理论分析相结合的方法，从生产应用的角度出发，对ZAO薄膜的制备工艺及微观结构进行了较深入的研究。在CSU-5001多功能磁控溅射仪上，采用直流磁控溅射制备技术进行ZAO薄膜的制备实验。用XRD、AFM、UV-VIS、椭偏仪、四探针测试仪等测试手段对制备的样品进行组织结构、光学和电学性能分析。得到ZAO薄膜具有(002)峰择优取向的ZnO纤锌矿晶体结构，A1的掺入没有形成Al,2O,3相；ZAO薄膜是由许多圆球状微晶组成，晶粒尺寸约为200nm左右，大小均匀，晶界清晰；在可见光区透射率为84.2％以上，电阻率最低为10'-5Ω·cm。从大量的制备ZAO薄膜实验数据中，分析直流磁控溅射制备工艺参数对ZAO薄膜性能的影响，总结出最佳制备工艺参数：靶基距为7cm，沉积工作压强保持为0.5Pa，然后调节氧氩分压比为1％，加热玻璃基片到200°C，以150W左右的溅射功率进行直流反应磁控溅射15min左右，最后在真空环境中退火处理l小时，退火温度为200°C。在最佳工艺条件下制备出的ZAO薄膜的主要性能为：膜厚在600nm左右，电阻率为9.62×10'-5Ωcm，可见光区平均透射率为89.2％，光、电性能同时满足使用的需求。本论文主要从薄膜的结构、载流子浓度和迁移率等几个方面分析了ZAO薄膜的