离子辅助蒸发Ti3O5制备光学薄膜的研究

Ｔｈｅ ｏｘｉｄｅ—ｔｉｔａｎｉｕｍ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｉｏｎ—ｂｅａｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ（ＬＡＤ）ｏｎ Ｋ９
ｇｌａｓｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｔｉ３０ｓ ａｓ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｕｃｈ
本文研究了退火对不同基片温度条件下以Ｔｉ３０５为初始膜料制备氧化钛薄膜 的结构及光学性能的影响。采用ｘ射线衍射仪（ｘＲＤ）检测薄膜退火处理前后的晶 体结构，结果显示，未退火前基片温度对薄膜的结构无影响，薄膜生长无择优 取向，呈无定形态。退火处理对薄膜的光学性能及结构的改善有很好的效果， 出现了明显的锐钛矿结构，且退火后薄膜的折射率增大。相同基片温度条件下 制备的薄膜经过４００℃、５００。Ｃ、６００℃退火后，薄膜折射率逐渐上升，薄膜的光 学性能得到很大的改善，薄膜结构由无定形向锐钛矿结构转变。
ｉｎｄｉｃｅｓ ｏｆ ｏｘｉｄｅ—ｔｉｔａｎｉｕｍ ｆｉｌｍｓ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｈｉｇｈｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｂｅ ｌｏｗｅｒ ｉｆ ｔｈｅ ｆｌｕｘ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｘｙｇｅｎ ｉｓ ｈｉ９１ｌｅｒ，ｂｅ ｈｉｇｈｅｒ ｉｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ
ｋｉｎｄ ｏｆ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ。Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｘｉｄｅ
ｔｉｔａｎｉｕｍ ｉｓ ０．３５—１劫ｍ，Ａｓ ａ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ，ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｘｉｄｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｈａｓ ｈｉＩｇｈ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ，ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ＩＲ
ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒｏｗｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，Ｔｉ３０５，ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ，Ａｎｎｅａｌｉｎｇ
ＩＩ
Ｖ ８６０３６７
独创性声明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。
ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ（ｎ）ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ（１０１）ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒ ａｎｎｅａｌｅｄ ｕｎｄｅｒ ４００。Ｃ，５００℃，６００℃，ｔｈｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ０叼ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ
２）超硬宽带隙薄膜 目前认为最硬的３种物质是金刚石、ｅ—ＢＮ和Ｂ—Ｃ３Ｎ４ 都己合成了薄膜材料，还有ＢＣＮ化台物膜和类金刚石薄膜（ＢＬＣ）也被创出。这 些超硬薄膜己进入应用开发阶段。以Hale Waihona Puke Baidu刚石膜为例，涂层刀具己商业化，已制 成Ｆ３００ｎｍ的大面积金刚石薄膜。在ｘ射线能谱仪窗口、红外成像窗口、强激
武汉理工大学硕士学位论文
武汉理工大学 硕士学位论文 离子辅助蒸发Ti<,3>O<,5>制备光学薄膜的研究 姓名：胡小锋 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：薛亦渝
20060301
武汉理工大学硕士学位论文
摘要
新型薄膜材料对当代高新技术起着重要的作用，是国际上科学技术研究的 热门学科之一。光学薄膜作为薄膜材料的一个重要应用领域，在照明、光纤通 讯、汽车工业等都得到了广泛的应用。氧化钛薄膜的透明区为Ｏ．３５。１２＃ｍ，氧 化钛薄膜作为光学薄膜应用时有很好的折射率。由于氧化钛薄膜在可见光区域 折射率高，光学性能稳定，被广泛的应用于减反膜、滤光片、光催化等。Ｔｉ，Ｏ； 是钛的低价系列氧化物中相对较稳定的化合物，具有类金属特性，在常温下具 有很高的导电性，与传统的Ｔｉ０２材料相比，具有阻温特性好的优点。离子束辅 助沉积技术可以使制备的薄膜膜层致密、均匀，提高了薄膜的稳定性，从而达 到提高薄膜的光学性能和机械性能的目的，是目前常用的一种薄膜制备方法。
光窗口，高功率微波窗口等方面己被成功使用。它的高热导率特性已在半导体 巨大规模集成电路及高功率半导体激光二极管等方面用作高效散热片。由于该 膜具有负的电子亲和势，因而具有优良的场电子发射特性，可用于制作大面积 冷阴极显示器。
３）纳米薄膜材料具有量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，在发光方面有特 殊作用，有可能使间接带隙的Ｓｉ和ｓｉＧｅ合金膜发出可见光来，使ｓｉ成为光电 一体化的新型光电存储材料。也有人预言，可能用硅纳米晶取代ＧａＡｓ制造微型 激光器。有关的纳米工作目前正受到国家重点支持。
管㈣及大面积液晶显示器。为了改善这些器件的性能，又研制了多晶硅膜、 尺寸为５ｃｍ ｘ ５ｃｍ，其光电转换效率ｎ＝１４％）；另外，ａ．Ｓｉ：Ｈ膜可制作薄膜晶体
微晶硅膜及纳米晶硅薄膜。这些器件己列入各国发展计划中，如日本的阳光计 划，欧洲的焦耳—热量计划，美国的百万屋顶计划，中国的９７３和８６３计划。 并已发展成为高新技术产业。另一项有发展前途的是Ｃｕ（１ｎＧａ）Ｓｅ２（ｄ、面积效率 ＞１８．８％）及ｑ为１６．４％的ＣｄＴｅ薄膜。
签名：壹１±整日期 细６．啵晤
关于论文使用授权的说明
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵守此规定）
签名：ｊ蛐师签名宫褴
武汉理ｊ二大学硕士学位论文
４）在超晶格和量予阱薄膜方面，应用ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ和ＣＢＥ技术已制备 出了大量的优质薄膜材料，包括ＩＩＩ．ｖ族、ＩＩ．ＶＩ族、ＩＶ．Ⅵ族、Ｖ族和非晶态等 多种材料体系。将获得具有新颖结构和优异特性的新型半导体器件，开拓出一 代新的半导体科学技术，这方面的工作一直得到国家重点支持，发展十分迅速。
５）薄膜发光材料也是近年来研究的热点，并已取得了令人瞩目的成就。薄 膜发光分为电致发光和光致发光，但真正有实用价值的主要是电致发光。在电 致发光材料中，又分为无机电致发光膜和有机电致发光膜。早期可见发光材料 为ＧａＡｓＰ，发红光，以后又向高亮度和多色化发展。目前ＧａＡｌＡｓ发的红光，可 直接用于室外广告牌显示。最近ＩｎＧａＡｌＰ发光二极管。可发射橙、黄及黄绿色， 其亮度很高，已用于车站、新闻、股票的广告牌显示。只有蓝色发射器件强度 很小，这是目前导体发光界攻克的重点目标，
ｇｒｏｗ－
Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ＩＡＤ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｔｉ３０５ ａｓ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＸＲＤ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ， ｔｈｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ａｌｌ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｎｅａｌｅｄ．Ｔｈｅ ａｎｎｅａｌｅｄ ｔｈｒｅｅ ｆｉｌｍｓ’
ａｓ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ、ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ、ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ、ｆｌｕｘ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｘｙｇｅｎ ａｎｄ
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ＵＶ－７５５Ｂ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｉｃｅｓ ｆＮ）ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ∞ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｎ
６）对介质薄膜、高温超导薄膜和巨磁阻薄膜，近年来人们进行了广泛的研 究。随着超大规模集成电路的尺寸逐渐缩小，为了降低信号传输延迟和串扰以 及由于介电损失而导致功耗的增加，采用低介电常数材料是必要的。目前，人 们对有可能在集成电路中应用的低介电常数，含氟氧化砧粹膜的淀积方法和特 性进行大量的研究，取得了一定的进展。铁电薄膜可以和硅或ＧａＡｓ电路相集成， 大大地促进了铁电薄膜的制备与器件应用研究的发展。具有高分辨率的二维列 阵薄膜型热释电红外探测器，可在空温厂实现红外凝视成像及跟踪，从根本上 改变目前红外光电子学的面貌。另外，铁电薄膜存取存储器（ＦｅＲＡＭ）日前已有 ６４Ｋ位的产品。在压电薄膜中，便于制造、性能最好、研究得比较深人的有ＺｎＯ 和Ａ１ Ｎ两种薄膜，其中ＺｎＯ薄膜可广泛用于制造多种压电器件，有的已投入大 量生产。Ａ１Ｎ薄膜的制备技术己比较成熟，预计将很快用于多种超高频压电器 件。高温超导薄膜的超导转变温度已可超过１００Ｋ，现在利用高温超导薄膜已能
本文采用离子束辅助蒸发砸３０５法在Ｋ９玻璃成功制各了具有良好光学性能 的氧化钛薄膜。研究了制备过程中的主要工艺因素离子源、基片温度、氧气流 量和沉积速率对薄膜光学性能的影响，用ＵＶ－７５５Ｂ分光光度计测试了薄膜的透 射率曲线，并用包络线法计算了薄膜的折射率（ｒ１）和消光系数（ｋ）。结果显示， 以Ｔｉ３０５为初始膜料，采用离子辅助沉积的方法，在蒸气入射角为００条件下具有 最好的光学性能；氧化钛薄膜的折射率随基片温度的升高而增大；在充分氧化 的情况下，折射率随氧气流量的减小而增大；氧化钛薄膜的折射率随沉积速率 的增大而增大。
关键词：离子辅助蒸发，Ｔｉ３０５，薄膜，退火
茎堡望三查堂堡主堂焦堡奎
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｎｅｗ ｆｉｌｍ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｎ ｍｏｄｅｒｎ Ｈｉｅ，ｈ．ｔｅｃｈ，
ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｐｏｐｕｌａｒ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｓ ａ
第１章绪论
１．１薄膜材料的应用现状
新型薄膜材料对当代高新技术起着重要的作用，是国际上科学技术研究的 热门学科之。开展新型薄膜材料的基础研究直接关系到信息技术、微电子技术、 计算机科学等领域的发展方向和进程。新型薄膜的发展取决于人们对先进薄膜 材料、先进的成膜技术和薄膜结构的控制，以及对薄膜的物理、化学行为的深 入研究。目前，对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方面发展， 其基础研究也在向分子层次、原子层次、纳米尺度、介观结构等方向深入，新 型薄膜材料的应用范围正在不断扩大。薄膜材料学作为材料科学的一个快速发 展的分支，得到了人们的高度重视和研究。薄膜技术在当今和未来都有着十分 宽广的应用领域，其科学价值以及对我国综合国力的增强都有划时代的意义。
ｆｉｌｍ，ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｔｉ３０５ ｉｓ ａ ｓｔａｂｌｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｏｆ
ＴｉｘＯｙ，ｉｔ ｈａｓ ｍａｎｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｌｉｋｅ ｍｅｔａｌｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｔｉ０２ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ Ｔｉ３０５ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｉｄｅｎｔｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．
ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｔｉ３０５ ａｓ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ
ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｉｓ俨：Ｔｈｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ
当前薄膜科学与技术得到迅猛发展的主要原因是，新型薄膜材料的研究工 作，始终同现代高新技术相联系，并得到广泛的应用。近１０年来，新型薄膜材 料在以下几个方面的发展更为突出【１】：
１）新型半导体薄膜 以非晶硅氢合金薄膜（ａ．Ｓｉ：Ｈ）和非晶硅基化物薄膜 ｆａ．ＳｉＧ矿：Ｈ、ａ．ＳｉＣ：Ｈ、ａ－ＳｉＮ：Ｈ等）为代表。它有良好的光电特性，可以应用于 太阳能电池。其特点是：廉价、高效率和大面积化ｆ对ａ—Ｓｉ／ｐｏｌｙ．Ｓｉ叠层电池，