氧化钛薄膜的制备、微结构及特性研究

【摘要】：非制冷红外探测器一直以来都是红外探测领域关注的焦点，其中对该器件中新型敏感材料的探索和研究更是该领域中的热点。近年来，氧化钛（TiO_x）薄膜作为一种新型的热敏材料在这方面的应用开始受到关注。 本文主要采用直流反应磁控溅射法在不同的工艺条件下成功地制备了不同晶相的TiO_x薄膜，并通过掠入射X射线衍射（GIXRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）、卢瑟福背散射谱（RBS）、X射线光电子能谱（XPS）以及激光拉曼光谱（LRS）等多种仪器和方法对薄膜微观结构进行了分析和表征，较为系统地研究了溅射法制备不同晶相的TiO_x薄膜的微观物理机制以及不同晶相的TiO_x薄膜的微观结构和宏观电学、光学特性之间的内在联系，为TiO_x薄膜在非制冷红外探测器中的应用作了较好的铺垫。本论文的主要研究内容如下： （1）通过控制不同的工艺参数在玻璃基片上制备了非晶相、多晶金红石单相两种不同晶相的TiO_x薄膜，实验结果表明TiO_x薄膜的晶相与溅射过程中的基片温度（Ts）、氧分量（pO_2）以及膜厚等参数有着密切的联系。当膜厚约为100nm，Ts从30oC上升到200oC，pO_2从1.5%增加到9%时，TiO_x薄膜都具有非晶相结构（a-TiO_x）。而当膜厚约为180nm，在Ts为200oC，pO_2从5%增加到10%的条件下可以制备得到金红石单相氧化钛（R-TiO_x）薄膜，且随着pO_2的增加，R-TiO_x薄膜中纳米晶粒的平均大小从10.88nm增加到了13.66nm，薄膜的均方根粗糙度从2.2nm增加到3.6nm。 （2）研究了氧气退火对薄膜的晶体结构的影响，实验中将制备的厚度分别为280nm和265nm的a-TiO_x和R-TiO_x薄膜在一定条件的氧气氛围中退火后发现退火前的非晶相转变为（金红石+锐钛矿）混合相，其中金红石相和锐钛矿相的纳米晶粒平均大小分别为12.5nm和14.6nm；R-TiO_x薄膜在氧气中进行退火处理后的晶体结构仍为金红石相，但是薄膜中的纳米颗粒平均尺度从退火前的11nm增加到12.6nm。 （3）对不同晶相的TiO_x薄膜光学特性的研究结果表明由于氧空位和声子限域效应等因素的影响，三种不同晶相的TiO_x薄膜的拉曼光谱中拉曼散射峰峰形出现了明显的宽化和不对称现象，其中金红石相和锐钛矿相对应的拉曼散射特征峰中心位置分别出现了红移和蓝移现象。由于量子尺寸效应等因素，三种不同晶相的TiO_x薄膜的光学带隙相对于单晶TiO_2都出现了蓝移现象，而晶态TiO_x薄膜的光学带隙相对于a-TiO_x薄膜出现了红移现象。 （4）在TiO_x薄膜晶体结构和组分对薄膜的电学特性的影响研究中发现，在a-TiO_x薄膜中，当O、Ti元素浓度比在1.72至1.96范围内变化时，薄膜的室温电阻率和相应的电阻温度系数（TCR）绝对值分别在0.21cm到55.2cm和1.2%至2.2%范围内变化。此外，发现200oC时制备的a-TiO_x薄膜在电阻率较小时可以具有较大的TCR。比较不同晶相的TiO_x薄膜的电学特性后发现退火后的R-TiO_x薄膜的TCR较大，电阻率随时间的变化最小，即电学稳定性最好。 （5）对不同晶相的TiO_x薄膜在20oC至100oC温度范围内的导电机制进行了深入研究，结果表明a-TiO_x薄膜在以上温度范围内主要依靠热激发至扩展态上的自由电子导电，而多晶金红石单相以及多晶（金红石+锐钛矿）混合相TiO_x薄膜在这个温度范围内的导电性主要依靠热激发至导带上的自由电子共有化运动。此外，发现a-TiO_x薄膜载流子的输运特性遵从正向或反向Meyer-Nedel Rule，而在晶态TiO_x薄膜中没有出现。