紅外透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備及光電性能研究.pdf

1、在光電系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，透明導(dǎo)電材料已經(jīng)成為航空航天光電系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分。對(duì)于紅外光電系統(tǒng)而言，前置大孔徑紅外光學(xué)窗口探測(cè)紅外信號(hào)易受電磁波的干擾，傳統(tǒng)金屬網(wǎng)柵等材料不能滿(mǎn)足紅外波段高透過(guò)與電磁屏蔽隱身性能協(xié)調(diào)的要求。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在室溫下采用等離子體轟擊輔助磁控濺射制備晶態(tài)中紅外透明導(dǎo)電氧化銦（In2O3）和氧化銦錫（In2O3:Sn）薄膜。系統(tǒng)研究不同負(fù)偏壓（|Vp|）對(duì)兩種薄膜內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)、光電性能和表面能態(tài)之間的內(nèi)

2、在聯(lián)系；采用雙靶磁控共濺射制備遠(yuǎn)紅外透明導(dǎo)電釕摻雜氧化釔（Y2O3:Ru）薄膜，研究不同基底溫度和摻雜濃度與成分、結(jié)構(gòu)和光電等性能的聯(lián)系；利用德魯?shù)伦杂呻娮永碚搶?duì)上述薄膜材料的等離子頻率進(jìn)行擬合，并實(shí)現(xiàn)了中、遠(yuǎn)紅外的透明導(dǎo)電。
　　等離子體轟擊輔助磁控濺射在室溫下制備的In2O3和In2O3:Sn薄膜，證實(shí)晶體結(jié)構(gòu)與其生長(zhǎng)條件密切相關(guān)。隨著負(fù)偏壓（|Vp|）的增加，In2O3和In2O3:Sn薄膜表面形貌發(fā)生顯著變化，證明等離子體

3、轟擊輔助磁控濺射是一種精細(xì)修改表面形貌的可控手段。隨著|Vp|的增加，薄膜內(nèi)部由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，且晶態(tài)薄膜擇優(yōu)取向也發(fā)生了相應(yīng)的變化。通過(guò)光電性能的研究發(fā)現(xiàn)，In2O3和In2O3:Sn薄膜在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率均大于80％，且光學(xué)帶隙的變化遵從Burstein-Moss效應(yīng)；薄膜隨著|Vp|的增加，兩者電阻率均呈現(xiàn)先降低后增加的變化。In2O3薄膜的變化原因是|Vp|的增加導(dǎo)致氧空位含量減少、載流子濃度降低、遷移率呈現(xiàn)先升高后降低的趨

4、勢(shì)。相比之下，In2O3:Sn薄膜的變化原因是|Vp|的增加，摻雜的低價(jià)態(tài) Sn2+轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r(jià)態(tài) Sn4+的量增多，因此載流子濃度有所增加。在|Vp|=|-700 V|制備的In2O3和In2O3:Sn薄膜具有在可見(jiàn)光波段最佳的光電性能；通過(guò)紫外熒光光譜法（UPS）證明該技術(shù)有助于改善In2O3和In2O3:Sn薄膜的功函數(shù)。當(dāng)|-600 V|<|Vp|<|-700 V|時(shí)，In2O3薄膜氧空位含量減少使得其功函數(shù)提高。當(dāng)|-700 V

5、|<|Vp|<|-900 V|時(shí)，In2O3薄膜隨著晶向由<222>轉(zhuǎn)變?yōu)?400>，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)引起表面功函數(shù)的增加。與之相比，In2O3:Sn薄膜功函數(shù)的增加是因?yàn)榈脱趸瘧B(tài) Sn2+向高氧化態(tài) Sn4+轉(zhuǎn)變。在高轟擊能作用下，表面結(jié)合 Sn-O鍵增多提高了In2O3:Sn薄膜的功函數(shù)。
　　利用雙靶磁控共濺射制備的Y2O3:Ru薄膜發(fā)現(xiàn)，薄膜微觀(guān)結(jié)構(gòu)直接受到釕靶射頻功率和基底溫度的影響。薄膜的沉積速率隨釕靶濺射功率的增加而

6、增加。制備 Y2O3:Ru薄膜的XRD結(jié)果證實(shí)，所有Y2O3:Ru薄膜均為非晶薄膜。XPS測(cè)試表明Y2O3:Ru薄膜中含有低能態(tài)的Ru4+-O鍵和高能態(tài)的Ru6+-O鍵。隨著Ru摻雜含量的增加，Ru4+峰的強(qiáng)度增大而Ru6+峰強(qiáng)度減小。當(dāng)襯底溫度逐漸升高時(shí)，Ru6+峰的強(qiáng)度提高而Ru4+峰的強(qiáng)度下降。霍爾測(cè)試分析表明Y2O3:Ru薄膜屬于n型半導(dǎo)體。隨著摻雜含量的增加導(dǎo)致薄膜中的間隙原子等缺陷增多、載流子濃度逐漸增加，最佳的面電阻可達(dá)~

7、283.4Ω/□。當(dāng)襯底溫度升高時(shí)，薄膜中缺陷含量相對(duì)減少，面電阻增大至~2.17×105Ωcm。UV-VIS-NIR分析表明，釕摻雜含量的增加顯著提高了薄膜中散射質(zhì)點(diǎn)的含量，降低了可見(jiàn)光波段的透過(guò)率?？梢?jiàn)光波段的透過(guò)率同襯底溫度的升高一同升高，說(shuō)明薄膜中原子的有序性有所增加，消除了部分空位并使得一些間隙原子運(yùn)動(dòng)到更加有利的位置。在這兩個(gè)過(guò)程中，載流子濃度的變化，引起了費(fèi)米能級(jí)上升或下降，從而帶來(lái)光學(xué)帶隙在1.90～2.54 eV間的變

8、化。
　　根據(jù)德魯?shù)伦杂呻娮永碚搶?duì)以上三種薄膜材料的等離子波長(zhǎng)進(jìn)行擬合。通過(guò)延長(zhǎng)等離子波長(zhǎng)，沉積 In2O3/Y2O3膜系與僅在ZnS基底上沉積 In2O3薄膜相比，中紅外透過(guò)率提高19%；在沉積Y2O3:Ru薄膜于紅外透明ZnS基底，遠(yuǎn)紅外透過(guò)率基本與基底透過(guò)率相當(dāng)（~70%）；通過(guò)設(shè)定延長(zhǎng)等離子波長(zhǎng)利用并沉積In2O3:Sn于SiO2鏡頭和飛機(jī)座艙蓋（PMMA）實(shí)現(xiàn)抗紅外熱輻射和電磁屏蔽效果。通過(guò)載流子濃度的調(diào)整可以有效地延長(zhǎng)