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《武汉理工大学》 2003年
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TiO_2薄膜的结构、特性及生长模式的研究

王学华  
【摘要】: 作为特殊形态材料的薄膜,具有特殊的光、机、电、磁等性能,已经成为微电子学、光电子学、磁电子学、刀具超硬化、传感器和太阳能利用等新型应用领域的材料基础。TiO_2作为一种极具前景的介质材料被应用到薄膜技术中来,引起了国内外研究者的极大兴趣。作为光学膜,TiO_2薄膜在可见光区透射率高,折射率大,化学稳定性高、强度大、硬度高,是非常重要的光学膜,已被广泛地应用于抗反射涂层、干涉滤波片、电致变色窗和薄膜光波导。作为电学膜,TiO_2薄膜的绝缘性能好,可作为大规模集成电路的保护层。TiO_2的介电常数很高,可用于半导体器件MEMS、MOS等的栅介质。作为气敏膜,用它制备的传感器可用于汽车尾气及大气中氧含量的检测,氢气的泄露检测等,而且使用寿命长,不易中毒。作为光催化膜,可以被广泛的应用到光催化洁净和水、气的处理,杀菌和抗癌方面。 随着薄膜科学与技术的发展,各种薄膜制备方法得到了迅速发展,传统的所谓镀膜,已从单一的真空蒸发发展到包括蒸镀、离子镀、溅射镀膜、化学气相沉积(CVD)、PECVD、MOCVD、分子束外延(MBE)、液相生长、微波法及微波电子共旋(MWECR)等在内的成膜技术。其中电子束蒸发技术是一种常用的薄膜制备技术,它具有成膜质量高,速率可控性好,通用性强等优点。本文采用SEM、TEM、XPS、XRD、椭圆偏振仪(SE)、UV-VIS分光光度计等分析手段系统地研究了电子束反应蒸发方法在K9玻璃上制备TiO_2薄膜的成分、结构和光学性能以及TiO_2薄膜在光学多层膜中应用,并开发了膜系设计软件。文中还从动力学和热力学角度分析了TiO_2超薄膜的形核生长过程,得出了TiO_2薄膜的组织结构模型。 文中首先以TiO_2薄膜的折射率和消光系数为研究对象,采用L9正交试验法研究了在K9玻璃上制备高光学质量TiO_2薄膜的最佳工艺条件。椭圆偏振仪的测试结果表明,制备TiO_2薄膜的最佳工艺条件为:基片温度300℃,工作真空2×10~(-2)Pa,沉积速率0.2nm·s~(-1),其中基片温度对薄膜光学常数的影响最大,该结果具有较好的可重现性。 TiO_2薄膜的化学计量和晶体结构直接影响薄膜的性能,本文采用XPS、XRD、SEM和UV-VIS分光光度计研究了热处理前后不同的基片温度条件(120℃、200℃和300℃)对薄膜成分、结构和光学性能影响的规律及其机制。研究结果表明,(a)热处理前,随着基片温度的增加,薄膜中的低价氧化钛含量逐渐减少,化学计量比趋于O/Ti=2;薄膜具有非晶态不致密的柱状 纤维结构,柱状纤维的尺寸随基片温度的升高而增加;薄膜在可见光范围内 透明,在波长为35Onzn时严重吸收,利用干涉级次法分析了薄膜的光学常数, 结果表明,薄膜的折射率随基片温度的升高而增加,根据计算结果得到了TIOZ 薄膜在不同基片温度下的折射率色散曲线。(b)经过400℃,1小时的热处理 后,薄膜中的低价氧化钦消失,薄膜具有很好的化学计量比O/Ti=2;薄膜发 生了由非晶态向晶态的转变,转变为具有A(004)晶面择优取向的锐铁矿结 构,锐钦矿的晶粒尺寸在3.6一snrn之间,但转变是不完全的;薄膜的致密度 比热处理前的也得到提高;薄膜在可见光区域同样具有很好的光透过性,但 是紫外截止波长发生了红移,薄膜的折射率比热处理前的得到提高,同样也 获得了热处理后薄膜的折射率色散曲线。 薄膜的形核与生长过程直接影响薄膜的结构,文中采用HRTEM研究了 透明无机物基底上TIO:薄膜成核生长过程,从热力学和动力学的角度分析了 这一过程。研究结果表明,在该无机物薄膜衬底上制备的Ti02薄膜厚度在 SOnln时己经形成了连续薄膜,但仍然可以看到岛状薄膜的雏形,岛与岛之间 存在一定尺寸的空隙,并且随着厚度的增加,薄膜中岛的尺寸增加。在该无 机物晶体解理面上制备的Tiq薄膜其生长方式为层状生长,每层的厚度大约 在巧nIn左右。薄膜是由尺寸很小的TIOZ纳米颗粒构成,选区电子衍射的结 果表明薄膜为非晶态。根据研究的结果,提出了一个与蒸发制备金属膜组织 结构稍有不同的TIO:薄膜组织结构模型,该模型直观地表述了基片温度与薄 膜结构之间的关系。 采用Visual Basic为软件平台,开发出了膜系设计软件,建立了常用薄膜 材料数据库。该软件具有单层弱吸收膜的光谱性能计算、多层无吸收膜的光 谱性能计算,薄膜光学常数的计算、多层膜膜系优化设计等功能。该软件具 有操作简单、界面友好、功能完备等功能。采用该软件己经设计了可见光宽 带增透膜系、反射红膜膜系、反射率膜膜系、截止滤光膜、分光膜、高反膜 等膜系,得到了较好的优化结果。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:O484

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