离子辅助沉积（1-x）TiO2-xTa2O5薄膜的光学性能研究

论文摘要

新的光学和光电子薄膜材料并不局限于自然界中已有的材料。由于各种材料的光、电、磁及化学性质各不相同,混合两种或更多膜料制备的薄膜可能改变单一组分薄膜的许多特性,如折射率、消光系数、结构、应力、电阻系数及表面粗糙度等。TiO2-Ta2O5薄膜是较新颖的光学薄膜,由均匀混合的两种化合物作为膜料研制而成,广泛应用于抗反射涂层、滤光片、DRAM电容元件、光催化等领域。研究TiO2-Ta2O5薄膜的结构和性能具有较大的科学和应用价值。本文采用离子辅助沉积的方法,以不同配比的Ta2O5和TiO2混合物为初始膜料在K9玻璃上制备了（1-x）TiO2-xTa2O5混合薄膜,其工艺参数为:本底真空（2～3）×10-3Pa;基片温度200℃;沉积速率5（?）/s;氧气流量18sccm;膜厚300nm;热处理工艺为加热温度500℃,保温时间2h,然后炉冷。薄膜的物相结构和表面形貌由XRD和AFM表征。结果表明:退火前薄膜均为非晶态,退火后薄膜出现锐钛矿晶体,结晶度随着Ta2O5含量的增加而降低,Ta2O5的加入抑制TiO2从非晶态向锐态矿的转化;所制备薄膜的晶粒均为纳米级,随着Ta2O5含量的增加,垂直于锐钛矿（101）晶面方向上的晶粒尺寸呈减小趋势;退火前后所有薄膜都呈柱状生长结构,随着Ta2O5含量的增加,颗粒的平均尺寸逐渐减小,粗糙度逐渐降低,表面更平滑;对同一x的（1-x）TiO2-xTa2O5薄膜来说,退火后颗粒的平均尺寸均大于退火前的平均尺寸。本文采用分光光度计测试了薄膜的透射光谱,并通过包络线的计算方法获得了薄膜的折射率和消光系数,由Tauc方程获得薄膜的光学带隙。结果表明:薄膜在可见光区均有较高的透射率,薄膜的平均透射率随着Ta2O5含量的增加而增加;退火前后薄膜在监控波长处的折射率在1.80～2.07范围内变化,消光系数在10-3～10-4数量级;随着Ta2O5含量从0增加到20%,光学带隙从3.266eV单调增加到3.417eV;退火后,随着Ta2O5含量从0增加到20%,光学带隙从3.227eV单调增加到3.512eV,薄膜的光学带隙与其颗粒大小符合Kayanuma提出的有效质量近似模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光学薄膜的发展历史和研究现状
• 1.2 光学薄膜的制备技术概述
• 1.3 薄膜生长特性概述
• 1.4 混合薄膜的研究进展
• 1.5 本课题的提出及主要内容
• 第2章 研究方法与实验设备
• 2.1 实验设备介绍
• 2.1.1 薄膜的制备设备
• 2.1.2 沉积过程中参数监控设备
• 2.2 薄膜的制备
• 2.2.1 基片的处理
• 2.2.2 膜料属性
• 2-Ta₂O₅膜料的制备'>2.2.3 TiO₂-Ta₂O₅膜料的制备
• 2.2.4 薄膜的制备工艺
• 2.3 光学常数的计算
• 2-Ta₂O₅薄膜结构的研究'>第3章 TiO₂-Ta₂O₅薄膜结构的研究
• 2-Ta₂O₅薄膜的XRD分析'>3.1 TiO₂-Ta₂O₅薄膜的XRD分析
• 3.1.1 X射线衍射原理
• 3.1.2 物相分析
• 3.1.3 晶粒大小分析
• 2-Ta₂O₅薄膜的AFM分析'>3.2 TiO₂-Ta₂O₅薄膜的AFM分析
• 3.2.1 原子力显微镜（AFM）
• 3.2.2 表面形貌分析
• 3.2.3 粗糙度分析
• 2-Ta₂O₅薄膜光学性能的研究'>第4章 TiO₂-Ta₂O₅薄膜光学性能的研究
• 2-Ta₂O₅薄膜的透射率T'>4.1 TiO₂-Ta₂O₅薄膜的透射率T
• 4.1.1 透射率测量原理
• 2O₅含量对TiO₂-Ta₂O₅薄膜透射率的影响'>4.1.2 Ta₂O₅含量对TiO₂-Ta₂O₅薄膜透射率的影响
• 2-Ta₂O₅薄膜透射率的影响'>4.1.3 退火对TiO₂-Ta₂O₅薄膜透射率的影响
• 2-Ta₂O₅薄膜光学常数'>4.2 TiO₂-Ta₂O₅薄膜光学常数
• 2-Ta₂O₅薄膜的折射率n'>4.2.1 TiO₂-Ta₂O₅薄膜的折射率n
• 2-Ta₂O₅薄膜的消光系数k'>4.2.2 TiO₂-Ta₂O₅薄膜的消光系数k
• 2-Ta₂O₅薄膜的光学禁带宽度Eg'>4.3 TiO₂-Ta₂O₅薄膜的光学禁带宽度Eg
• 2-Ta₂O₅薄膜的吸收限和截止波长'>4.4 TiO₂-Ta₂O₅薄膜的吸收限和截止波长
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录:硕士期间发表论文