藍(lán)寶石和LSAT襯底上氧化鈦薄膜的制備及性質(zhì)研究.pdf

1、TiO2是一種性能優(yōu)異的多功能寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料，在光催化、透明導(dǎo)電薄膜、染料敏化太陽能電池、絕緣柵、自旋電子器件等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。目前已在多種襯底材料上制備出導(dǎo)電性和光透過性良好的TiO2薄膜，可用于氣敏傳感器、透明導(dǎo)電電極等，成為新型氧化物半導(dǎo)體薄膜材料的研究熱點之一。金紅石型TiO2具有直接帶隙(～3.0eV)，且物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，因此也是一種很有前景的光電材料。使用濺射、溶膠凝膠等方法制備的TiO2薄膜因為是

2、多晶結(jié)構(gòu)而性能穩(wěn)定性差。因此，制備結(jié)構(gòu)完整的TiO2外延薄膜，研究其晶格結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，不僅在制作高性能的光電子器件方面具有實際應(yīng)用價值，而且也有著重要的科學(xué)意義。本論文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)分別在A、C、M面藍(lán)寶石和鋁酸鍶鉭鑭(LSAT)單晶襯底上生長了不同取向的TiO2外延膜，并對其結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。
　　實驗中采用高純Ti(N(CH3)2)4作為Ti有機(jī)源，超高純N2作為載氣，高純O2作

3、為氧化劑，有機(jī)源摩爾流量為2.5×10-7mol/min，襯底溫度為500℃、550℃、600℃和650℃。在上述襯底上成功制備出TiO2薄膜，主要研究工作和結(jié)果如下:
　　1.A、C、M面藍(lán)寶石襯底上制備TiO2薄膜
　　(1)XRD分析結(jié)果表明A面藍(lán)寶石襯底上生長的均為單一取向的金紅石型TiO2(101)薄膜。550℃下制備的薄膜樣品的結(jié)晶質(zhì)量最好，當(dāng)溫度達(dá)到650℃時，結(jié)晶質(zhì)量明顯變差。TiO2薄膜與A面藍(lán)寶石的面內(nèi)外

4、延關(guān)系為TiO2[010]‖α-Al2O3[0001]和TiO2[101]‖α-Al2O3[1100]。Φ掃描分析還表明所制備的TiO2薄膜存在(101)孿晶。薄膜在可見光范圍的透過率大于73％。
　　(2)在C面藍(lán)寶石襯底上生長的TiO2薄膜結(jié)構(gòu)差異較大。500℃和550℃得到的薄膜為銳鈦礦和金紅石兩相混合的多晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)襯度溫度為600℃時制備薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好，TiO2薄膜為沿[001]單一取向生長的銳鈦礦結(jié)構(gòu)，XRDΦ掃描結(jié)

5、果分析表明薄膜含有三重疇結(jié)構(gòu)，這是緣于C面藍(lán)寶石襯底的三重對稱性。650℃制備的薄膜中未能觀察到TiO2的衍射峰，表明薄膜的結(jié)晶質(zhì)量明顯下降。制備薄膜在可見光范圍的透過率大于76％。
　　(3)M面藍(lán)寶石襯底上制備出了金紅石結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜。所制備的薄膜均是沿[001]單一取向生長，但溫度升至650℃時，TiO2薄膜的結(jié)晶質(zhì)量退化嚴(yán)重。其中550℃下得到的薄膜樣品有最好的結(jié)晶質(zhì)量。金紅石結(jié)構(gòu)TiO2薄膜與M面藍(lán)寶石的面外外延關(guān)系

6、為TiO2(001)‖α-Al2O3(10(1)0)，其面內(nèi)外延關(guān)系為TiO2[100]‖α-Al2O3[1(2)10]和TiO2[010]‖α-Al2O3[0001]。TiO2薄膜樣品在可見光區(qū)的平均透過率超過71％，其中550℃薄膜的光學(xué)帶隙約為3.64eV。另外，用不同有機(jī)源摩爾流量(2.5×10-7～4.0×10-6mol/min)制備TiO2薄膜，襯底溫度設(shè)定為550℃，以研究生長速率對薄膜結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，制備薄膜的結(jié)晶

7、質(zhì)量在小流量(2.5×10-7mol/min)即生長速率約為6.5nm/h時最好，且隨著生長速率的增大而下降;生長速率達(dá)到401.5nm/h時，TiO2薄膜變?yōu)殇J鈦礦和金紅石兩相混合的多晶，且銳鈦礦相為主。
　　2.LSAT(001)襯底上制備銳鈦礦結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜
　　采用MOCVD方法，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LSAT(001)襯底上不同溫度下制備了銳鈦礦結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜。XRD分析可知所制備的薄膜均為垂直于[001]晶向的單一

8、取向生長的銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2,其中550℃樣品具有最佳的結(jié)晶質(zhì)量，XRDΦ掃描結(jié)果分析表明該薄膜為無孿晶的完整單晶。550℃制備的銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2薄膜的外延關(guān)系為TiO2(001)‖LSAT(001)和TiO2[100]‖LSAT[100]，晶格失配約為2.2％。在可見光區(qū)薄膜的平均透過率超過84％，550℃制備薄膜的光學(xué)帶隙約為3.27eV。此外，襯底溫度設(shè)定為550℃，改變有機(jī)源摩爾流量的大小(2.5×10-7mol/min～4.