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《燕山大学》 2010年
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用原位纳米测试系统研究SnO_2类薄膜材料的硬度

王鑫  
【摘要】:SnO_2类TCO薄膜,是较早投入商业用途的透明导电氧化物薄膜材料,常用来做Low-E玻璃及显示器件、薄膜太阳能电池中的前电极。对此类薄膜材料的物理化学性能,特别是薄膜的硬度的了解,是薄膜应用及其性能维护的前提条件。进而才能正确有效的选择适合的薄膜隔垫及防腐材料。本论文是以得到薄膜的硬度为目标,从材料设计的角度出发,采用第一性原理的密度泛函理论对SnO_2及SnO_2:Sb模型的内聚能,键长和布局数进行计算,最终得到此类材料的理论硬度;采用了原位纳米测试系统和维氏显微硬度计测试了薄膜的膜基复合硬度,分别利用弹性球数学模型和Meyer法分离出了薄膜的硬度值,并与理论值进行比较。 在测试薄膜的硬度过程中,采用X射线荧光光谱仪(XRF)测定了薄膜的成分;X射线衍射仪(XRD)分析了薄膜的晶体结构;用扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)及原子力显微镜(AFM)观察了薄膜表面形貌;用表面轮廓仪测试了薄膜的厚度。 理论研究结果表明,具有金红石结构、未掺杂其他元素的SnO_2单胞与2×2×2 SnO_2超晶胞的硬度值一样大,均为13.46±0.02GPa,且比掺杂Sb原子后的SnO_2硬度值高。在2×2×2的SnO_2超晶胞中,其硬度值随着Sn被Sb原子替换的个数增加而下降。用原位纳米测试系统测试了工业化在线CVD法制备的SnO_2:Sb(ATO)薄膜的硬度。当薄膜为四方金红石结构时,晶格常数大,其硬度值相对较低。考虑到薄膜表面的粗糙度会影响薄膜硬度的测试结果,本论文则采用了弹性球数学模型,从1#~3#样品的膜基复合硬度中分离出了薄膜材料的硬度,分别为13.10GPa、17.25GPa、20.25GPa。对于用PVD法制备的4#、5#SnO_2类薄膜,则用维氏显维硬度计并结合Meyer法分离出薄膜的硬度为13.47GPa、18.58GPa。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.2

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