氧化鈦薄膜的制備、微結(jié)構(gòu)及特性研究.pdf

1、非制冷紅外探測(cè)器一直以來(lái)都是紅外探測(cè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，其中對(duì)該器件中新型敏感材料的探索和研究更是該領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。近年來(lái)，氧化鈦（TiOx）薄膜作為一種新型的熱敏材料在這方面的應(yīng)用開始受到關(guān)注。
　　本文主要采用直流反應(yīng)磁控濺射法在不同的工藝條件下成功地制備了不同晶相的TiOx薄膜，并通過掠入射X射線衍射（GIXRD）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、原子力顯微鏡（AFM）、盧瑟福背散射譜（RBS）、X射線光電子能譜（XPS）以及

2、激光拉曼光譜（LRS）等多種儀器和方法對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和表征，較為系統(tǒng)地研究了濺射法制備不同晶相的TiOx薄膜的微觀物理機(jī)制以及不同晶相的TiOx薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀電學(xué)、光學(xué)特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為TiOx薄膜在非制冷紅外探測(cè)器中的應(yīng)用作了較好的鋪墊。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）通過控制不同的工藝參數(shù)在玻璃基片上制備了非晶相、多晶金紅石單相兩種不同晶相的TiOx薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TiOx薄膜的晶相與濺射過程中的基

3、片溫度（Ts）、氧分量（pO2）以及膜厚等參數(shù)有著密切的聯(lián)系。當(dāng)膜厚約為100 nm，Ts從30 oC上升到200 oC，pO2從1.5％增加到9%時(shí)，TiOx薄膜都具有非晶相結(jié)構(gòu)（a-TiOx）。而當(dāng)膜厚約為180 nm，在Ts為200 oC，pO2從5%增加到10%的條件下可以制備得到金紅石單相氧化鈦（R-TiOx）薄膜，且隨著pO2的增加，R-TiOx薄膜中納米晶粒的平均大小從10.88 nm增加到了13.66 nm，薄膜的均方根

4、粗糙度從2.2 nm增加到3.6 nm。
　?。?）研究了氧氣退火對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)中將制備的厚度分別為280 nm和265 nm的a-TiOx和R-TiOx薄膜在一定條件的氧氣氛圍中退火后發(fā)現(xiàn)退火前的非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)椋ń鸺t石+銳鈦礦）混合相，其中金紅石相和銳鈦礦相的納米晶粒平均大小分別為12.5 nm和14.6 nm；R-TiOx薄膜在氧氣中進(jìn)行退火處理后的晶體結(jié)構(gòu)仍為金紅石相，但是薄膜中的納米顆粒平均尺度從退火前的11

5、nm增加到12.6 nm。
　　（3）對(duì)不同晶相的TiOx薄膜光學(xué)特性的研究結(jié)果表明由于氧空位和聲子限域效應(yīng)等因素的影響，三種不同晶相的TiOx薄膜的拉曼光譜中拉曼散射峰峰形出現(xiàn)了明顯的寬化和不對(duì)稱現(xiàn)象，其中金紅石相和銳鈦礦相對(duì)應(yīng)的拉曼散射特征峰中心位置分別出現(xiàn)了紅移和藍(lán)移現(xiàn)象。由于量子尺寸效應(yīng)等因素，三種不同晶相的TiOx薄膜的光學(xué)帶隙相對(duì)于單晶TiO2都出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，而晶態(tài)TiOx薄膜的光學(xué)帶隙相對(duì)于a-TiOx薄膜出現(xiàn)了紅

6、移現(xiàn)象。
　?。?）在TiOx薄膜晶體結(jié)構(gòu)和組分對(duì)薄膜的電學(xué)特性的影響研究中發(fā)現(xiàn)，在a-TiOx薄膜中，當(dāng)O、Ti元素濃度比在1.72至1.96范圍內(nèi)變化時(shí)，薄膜的室溫電阻率和相應(yīng)的電阻溫度系數(shù)（TCR）絕對(duì)值分別在0.21?cm到55.2?cm和1.2%至2.2%范圍內(nèi)變化。此外，發(fā)現(xiàn)200 oC時(shí)制備的a-TiOx薄膜在電阻率較小時(shí)可以具有較大的TCR。比較不同晶相的TiOx薄膜的電學(xué)特性后發(fā)現(xiàn)退火后的R-TiOx薄膜的TCR

7、較大，電阻率隨時(shí)間的變化最小，即電學(xué)穩(wěn)定性最好。
　　（5）對(duì)不同晶相的TiOx薄膜在20 oC至100 oC溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明a-TiOx薄膜在以上溫度范圍內(nèi)主要依靠熱激發(fā)至擴(kuò)展態(tài)上的自由電子導(dǎo)電，而多晶金紅石單相以及多晶（金紅石+銳鈦礦）混合相TiOx薄膜在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)電性主要依靠熱激發(fā)至導(dǎo)帶上的自由電子共有化運(yùn)動(dòng)。此外，發(fā)現(xiàn)a-TiOx薄膜載流子的輸運(yùn)特性遵從正向或反向Meyer-Nedel