（光學(xué)專業(yè)論文）溶膠凝膠法制備ito薄膜及其性質(zhì)研究.pdf

內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 中文摘要 摻錫! e 化銦( i t 0 ) 薄膜材料赴種錫摻藥鼉的：p 導(dǎo)體材料，i 優(yōu)良的 光l 泣。斑：能被，。泛的j 追用丁透明導(dǎo) 乜膜的制箭r 。 l o 目前其應(yīng)朋j 王要足采蹦 濺射泫與奠空沉移j 法n 接沉移：在襯底材料上形成功能性的薄膜，從經(jīng)濟(jì) 效盞j 二看，這種制舒 ：藝限制廠i t o 薄膜的7 、蔓用。本課題是以i n c l ，4 h ，o 和s n c l l 5 h 1 0 為一k 嬰麒料，采j | 溶脧凝膠法和旋轉(zhuǎn)涂膜一。r ：藝，在玻璃基片 上制矯摻錫氧化銦透明導(dǎo) 乜薄膜( i t o ) 。采用x 射線粉末衍射、紫外一可 見透射光譜和四探針放術(shù)，研究了稚一! ，i 和氮?dú)鈿夥罩?，不同摻s n 量、 不同熱處理滁度和熱處理時(shí)間對薄脫的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性能的影響。 并刪原子力夠微鏡探測了薄膜n 勺彤貌。 對通過無機(jī)吉立法制備的薄膜進(jìn)行分析測試，x 一射線衍射結(jié)果表明： 在摻雜過程中s n 4 + 離子代替了i n 3 + 離子的位黃而生成具有立方i n ：0 3 鐵錳 礦結(jié)構(gòu)同體。通過原子力娃微鏡觀察幾j 知i t 0 薄膜是由直徑大小彳同的納 米顆粒組成的。 薄膜的最佳二 藝條件為：摻s n 量l l ，熱處理溫度4 8 0 ，熱處理時(shí)間 6 0 m i n ，在此條件下制備的i t o 薄膜，在窄氣氣氛中退火可見光透過率達(dá) 8 2 以上，薄膜方阻為3 9 0q 口；在氮?dú)鈿夥罩型嘶鹂梢姽馔高^率達(dá)8 1 以上，薄膜方阻為3 4 0q 口。x 射線衍射測 j 薄膜平均晶粒度為5 0 n m 左右。 且氮?dú)鈿夥罩型嘶鹗贡∧さ男阅苌院糜谠诳諝鈿夥罩型嘶鸬臉悠贰?關(guān)鍵字：摻錫氧化銦薄膜，溶膠一凝膠法，光學(xué)性能，方塊電阻 內(nèi)蒙吉師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i n d i u mt i n0 x i d e ( 1 t 0 ) i sat i n d o p e do x i d es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l - i t i sw i d e l yn l a t e r i a lo ft r a n s p a r e n tc o n d u c t i v ef i l mb e c a u s eo fh i g hc o n d u c t i v i t y a n de x c e l l e n tt r a n s p a r e n c y b u tm o s ti t of i l m sa r em a n u f a c t u r e db yv a c u u m v a p o u rd e p o s i t i o na n di o ns p u t t e r i n gp r o c e s s ，w h i c hl i m i t e di t sa p p l i c a t i o n i n c o m p a r i s o nw i t ht h i s ，u s i n gi n c l 3 4 h 2 0a n ds n c l 4 5 h 2 0 a sr a wm a t e r i a l s ， i t ot r a n s p a r e n tt h i nf i l m sw e r ep r e p a r e do nc o m m o n9 1 a s ss u b s t r a t eb y s o l g e ls p i n - c o a t i n gp r o c e s s t h ee f f 色c t s o ft h eh e a t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e a n dt h et i m e ，a n ds nd o p a n tc o n t e n to nt h eg r a i ns i z e ，o p t i c a la n de l e c t r i c a l p r o p e r t i e so ft h ei t 0t h i nm m s w e r ei n v e s t i g a t e db yx 。r a yd i f f r a c t i o n ， u v v i st r a n s m i s s i o n s p e c t f a a n d f o u 卜p r o b e e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t q u e n c h i n gi n a i ra n dn 2 t h es u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ei t 0t h i nf i l m sw a s o b s e e du s i n ga f m t h ei t 0f i l m s p r e p a r e db yi n o r g a n i cs a l t sm e t h o d w e r ei n v e s t i g a t e d t h ex r dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei t 0f i l mi sac u b i cb i x b y i t es t r u c t u r e d u r i n gt h ep r o c e s s o fd o p i n g ，e a c hs n 4 + r e p l a c e sa ni n 3 + d o n a t i n gaf r e e e l e c t r o nf b rt h ec o n d u c t i v i t y t h ea f m sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei t 0f i l m si s c o m p o s e do fn a n o m e t e r s c a l e dp a r t i c l e s 1 1 內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h eo p t i m u mp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa r e11 o fs nd o p a n tc o n t e n ta n d a n n e a l i n gf o r6 0 m i na t4 8 0 u n d e ra b o v eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，w ep r e p a r e d t h ei t of i lm s ，t h ea v e r a g ev i s i b l et r a n s m i t t a n c ei sa b o u t8 2 a n dt h es h e e t r e s i s t a n c ei sa b o u t3 9 0 0 口 w i t hq u e n c h i n gi na ir t h e a v e r a g e v i s i b l e t r a n s m i t t a n c ei sa b o u t8 1 a n dt h es h e e tt e s i s t a n c ei sa b o u t3 4 0 0 口w i t h q u e n c h i n gi nn 2 t h ea v e r a g eg r a i ns i z ei sa b o u t5 0 n m a n dc h ep r o p e r t i e so f i t 0f i l m sq u e n c h i n gi nn 2i sb e t t e rt h a ni na i r k e yw o r d ：i t 0t h i nf i l m ，s o l - g e lp r o c e s s ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ，s h e e t r e s i s t a n c e 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果，盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也 不包含本人為獲得內(nèi)蒙古師范大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說明并表示感謝。 簽名：溘：蘭凌日期：乃齠年f 月9 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解內(nèi)蒙古師范大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位 論文的規(guī)定：內(nèi)蒙古師范大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送 交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印 或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文，并且本人電子文檔的內(nèi)容 和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 簽名：潘姥瘴導(dǎo)師簽名：再擁 日期：2 c ) c 漚年多月z d 日 第一章引言 第一章引言 1 1本研究工作的背景及意義 摻錫氧化銦( 1 n d i u mt i no x i d e ) i t o 是i n 2 0 3 摻雜s n 的半導(dǎo)體材料。由于i t 0 薄膜材料具有優(yōu)異的光電特性，引起了人們的廣泛關(guān)注1 1 ，2 ，引。隨著薄膜晶體管( t l 丌) ， 液晶顯示( l c d ) ，等離子顯示( p d p ) 等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，i t o 薄膜的需求也在急 劇增加，已經(jīng)形成了一定的市場規(guī)模。由于i t o 薄膜制備技術(shù)科技含量高，世界上 僅有少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家能夠生產(chǎn)，保密十分嚴(yán)格1 4 ，5 】。正因?yàn)橐陨显?，i t o 薄膜的 特性研究，近年來在我國發(fā)展很快。為了更好地把握這一發(fā)展趨勢，結(jié)合國際發(fā)展背 景，本文研究了用溶膠一凝膠法制備l t o 薄膜材料及其特性。 i t o 成膜是銦的深加工的一個(gè)重要方向，逐漸開辟了越來越廣泛的應(yīng)用，因而有 誘人的丌發(fā)前景。利用液相法成膜是制備l t o 膜的一個(gè)發(fā)展趨勢，因?yàn)樗哂泄に?簡單，流程可控，設(shè)備投資小，鍍膜成本低，所鍍膜均勻性好，有利于實(shí)現(xiàn)快速、連 續(xù)、大規(guī)模的制膜。因此，研制其工藝及其制備技術(shù)，不僅具有重要的理論意義，而 且可以擺脫我國i t o 漿料長期依靠國外進(jìn)口的狀況，具有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，利用液 相法成膜，屬于九十年代后興起的先進(jìn)技術(shù)，產(chǎn)品與技術(shù)革新在世界各國都還沒有完 全形成強(qiáng)式格局，因此，充分做好基礎(chǔ)研究工作，真正有效利用好我國豐富的銦資源， 就有可能在未來十年形成i t o 優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。 1 2lt o 薄膜的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀f 6 j 制備l t o 薄膜的方法很多【1 卜巧l ，諸如電子束( e b ) 蒸發(fā)、磁控濺射蒸發(fā)、高密度等 離子體增強(qiáng)( h d p e ) 蒸發(fā)與低壓直流濺射技術(shù)，化學(xué)氣相沉積( c v d ) 和原子層外( a l e ) 技術(shù)，熱解噴涂法以及近年來發(fā)展起來的大面積成膜的浴膠一凝膠( s 0 1 一g e l ) 技術(shù)等。 然而，適于批量生產(chǎn)而又能形成產(chǎn)業(yè)的工藝，只有磁控濺射法和溶膠一凝膠法，特別 是溶膠一凝膠法。目i 訂具有商業(yè)價(jià)值的制備技術(shù)主要集中s 0 1 g e l 法、磁控濺射法、熱 解噴涂法：三種，其中磁控濺射法研究得最為深入。磁控濺射法將主要技術(shù)難點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 靶材上，無論是靶型還是其成分與摻雜均對i t o 薄膜質(zhì)量起決定性的影響，目前己 由德圈萊寶公司、美國通用電器公司和r 本住友公司等三家企業(yè)控制了磁控濺射設(shè)備 和i t o 靶材制備技術(shù)，并壟斷了大部分國際市場。另外，磁控濺射法的主要問題是 制作成本太高和設(shè)備太昂貴，限制了l t o 膜在建筑玻璃、汽車玻璃、太陽能玻璃和 冰柜玻璃等i l j 場的進(jìn)一步丌拓。熱解噴涂法制備i t o 膜質(zhì)量精度不高，：t ：藝可控性 內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 較旌，性i 能i k 4 i 穩(wěn)定，j i 嬰川+ j ：透l 巋發(fā)熱扳件等塒膜悱能要求不高的i t oj ：i f n s o l - g e l 法制箭f 向i t 0 膜質(zhì)髓f f j j 磁控制濺射法棚媲芙，：f ：藝f f 。挖，r e 好，性能穩(wěn)定，成小1 1 l 對較低，兇向1 1 益成為磁挖濺射法的打力競爭櫛。 s o l g e l 鍍膜技術(shù)最f j 追溯劍1 8 4 6 年j j e b e i m a n l 等【6 j 人的偶然發(fā)現(xiàn)，但“劍 1 9 3 9 年，德l 習(xí)w g e f f k e n 爿。將之朋于制備氧化物系光學(xué)薄膜。隨著h s c h r o c d c r 和 h d i s l i c h 的深入研究，在多層和復(fù)系氧化物光學(xué)薄膜取得了一系列的專利技術(shù)j k 品， 如汽車后視鏡、減反玻璃等，而幕墑玻璃7 0 年代就己商業(yè)化。以這些產(chǎn)品，德闖s c h o t t 玻璃公司躋身于歐洲第二人玻璃公司。8 0 年代初，德舊的s c h o t t 玻璃公司、卜1 本的 s o d a 公司丌始i t o 薄膜的s o l g e l 制備技術(shù)研究。1 9 9 0 年后，i ：始向產(chǎn)j 【匕化發(fā)展。而 國內(nèi)s 0 1 g e l 制備技術(shù)研究起步得較晚。8 0 年代仞部分科研機(jī)構(gòu)丌始在玻璃低渝合成、 納米粉制備、s i o ! 過渡族金屬氧化物彩色玻璃涂層等方面進(jìn)行了不同年呈度的研究，已 取得了一系列的成果，但對溶膠凝膠法制備i t o 膜的研究較少。其主要原吲侄j j ：銦 錫的醉鹽難于合成。目前世界上儀有少數(shù)幾個(gè)圈家的研究機(jī)構(gòu)能合成。1 9 7 6 年， s c h u r e n d uc h a t t e r i e e 等【6 j - 阿次報(bào)道了用死水三氯化鋼合成 h 了鋼的異丙醇鹽，其后的 報(bào)道就處。j ：商業(yè)隱秘階段，從而給圈內(nèi)i t o 膜s o l - g c l 制備技術(shù)研究帶來了技術(shù)難度。 另一方面，因內(nèi)尚有幾家公司在進(jìn)【：1 和國產(chǎn)生產(chǎn)線上用濺射法制造i t o 薄膜的建筑 物幕墻玻璃，但規(guī)模并不大，且成本較高，因此迫切需要尋找一種能臂代目前方法的 新技術(shù)。 于l t 0 薄膜材料優(yōu)異的光電特性岡而近年柬得以迅速發(fā)展，特別是存平板 液品顯示器、太陽能電池、熱輔財(cái)反射鏡和表麗發(fā)熱料f ，| ：、電磁屏蔽和輻射防護(hù)鋒乃+ 面獲得廣泛應(yīng)用，形成一定市場規(guī)模。 目自，j 在各類顯示器件中，如：通訊設(shè)備、檢測儀器及辦公室自動(dòng)化設(shè)備等， l c d ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，液品顯示器) 產(chǎn)品的應(yīng)用僅次于顯像管( c r t ) 。隨著液品 顯示器件向大面積化、高等級化和彩色化方向發(fā)展，i t o 產(chǎn)品將超過c r t 成為顯示 器件領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品f 1 6 1 7 li t o 薄膜的主要應(yīng)用領(lǐng)域在l c d ，它是制作l c d 的3 大主要材料之一( 另兩個(gè)為液晶和偏光片) 。采用i t 0 鍍膜玻璃為基片材料制作的l c d 顯示器具有體積小、厚度薄、質(zhì)量輕、能耗少、無污染、無輻射、無散熱影響等優(yōu)點(diǎn)， 是節(jié)能、潔凈的環(huán)保型電子材料產(chǎn)品，是真正的超平顯示器件。l c d 產(chǎn)品正在以高 密度、高清晰度、低成本的總體趨勢發(fā)展。因而l c d 是平板顯示家族中最受電子： 業(yè)重視的顯示器件，被公認(rèn)為代表著顯示器件發(fā)展的未來，同本稱其為“2 0 世紀(jì)最 后幾項(xiàng)大型技術(shù)之一”。全球顯示器市場l c d 總銷售額從1 9 8 7 年的9 9 6 億美元上升 2 第一章引言 到2 0 0 0 年的5 7 6 億美元，市場占有牢從1 1 卜升到3 8 ，超過了傳統(tǒng)c r t ( 陰級射 線管) 3 個(gè)西分點(diǎn)，f 增長率達(dá)2 5 ，在各類顯示器中占有率最高，預(yù)計(jì)到2 0 0 8 年 l c d 的年產(chǎn)值將達(dá)劍1 0 1 8 億美元，在整個(gè)裎豕器市場中占7 0 多。 由于i t o 薄膜所具有的折射率在1 8 1 9 的范圍內(nèi)，以及它具有良好的導(dǎo) 乜性， 使它適合于硅太陽電池的減反射涂層和光，j 三電流的收集【1 8 。引。利用l t o 薄膜具有對 可見光的高透過性和對紅外光的高反射- 7 ，可以廣泛用在光熱轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域。在太陽 能的利用【1 = l ，它可作為有效利用太剛熱的選擇，陀透過膜，從而把熱能有效地捕集到室 內(nèi)或太| j f l 能收集器巾。另外，它還可以剛作異質(zhì)結(jié)型非品硅太陽能電池的透明電極， 可以提高的其光電轉(zhuǎn)換效率，例如i t o s i o ! p s i 人陽能電池可以產(chǎn)生1 3 1 6 的 轉(zhuǎn)換效率剛。 除此之外，山于電子工業(yè)的迅速發(fā)展，i t o 薄膜得到了廣泛的應(yīng)用。這i f 是因 為i t o 薄膜具有良好的透明性與導(dǎo)電性，同時(shí)還具有良好的刻蝕性，因而它被大量 地應(yīng)用。i t o 薄膜在電致發(fā)光器件中分別在發(fā)光層的上、下表面用作負(fù)極和正極材料。 其中銦錫氧化物導(dǎo)電膜( i t o ) 玻璃基板作為陽極。 i t o 薄膜對可見光具有很高的透射率，對紅外光有很高的反射率，使其可以大量 用于熱鏡，可使寒冷下的視窗或太陽能收集器的視窗將熱量保持在一個(gè)封閉的空問 里，起到熱屏蔽作用。還可以作為寒冷地i 丕大型建筑物幕墻，采用這種幕墻可以節(jié)省 大量的能源消耗。利用i t o 薄膜的透明和導(dǎo)電性能，還可將這種i t o 薄膜作為一種 透明表而發(fā)熱器，廣泛用于機(jī)車，飛船和坦克等交通t 具的視甯玻璃，可以起到隔熱 降溫作用，并且存通電的情況下還可以作為透明電極用于飛機(jī)和火車頭的除霧和除霜 劑。 在電子設(shè)備及電子產(chǎn)品中，對輻射性禍合引起的電磁干擾( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) 需采用屏蔽技術(shù)加以抑制。利用i t o 薄膜對微波的衰減性( 可達(dá)3 d b ) ， 可以將其作為屏蔽電磁波用在家電微波爐視窗、計(jì)算機(jī)房、雷達(dá)的屏蔽保護(hù)區(qū)和防雷 達(dá)飛機(jī)上，以防止由于外界電磁波的侵入而使電子設(shè)備及產(chǎn)品產(chǎn)生誤差和保密信息的 泄漏。茶色i t o 薄膜是銦錫氧化物導(dǎo)電薄膜的新品種，有防紫外和紅外功能，并濾 去對人眼有害的紫外波段，因而這種薄膜鍍在玻璃鏡片上可作為防護(hù)眼鏡。 1 3 目前存在的問題 由于i t o 透明導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)技術(shù)難度高，工藝較為復(fù)雜，目前世界上只有少 數(shù)圈家能夠工業(yè)化生產(chǎn)透明導(dǎo)電膜系列產(chǎn)品保密十分嚴(yán)格。作為l t o 透明導(dǎo)電膜的 3 內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 主要材料銦錫氧化物，我困有著極其豐富的資源，然而所用的i t o 材料還需要進(jìn)口， 要改變原料廉價(jià)出口的局面，迫切要求攻克技術(shù)難關(guān)，以滿足高科技領(lǐng)域中對i t o 薄膜材料的需求，創(chuàng)造具大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此我國有條件的科研院所及其 高新技術(shù)企業(yè)，應(yīng)致力于加速i t o 薄膜產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 本文中液相法的優(yōu)點(diǎn)是，組分容易控制，設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本低。不足之處是： 獲得的超微粉種類少，主要以制取氧化物為主，另外，雜質(zhì)多并且難以獲得高性能的 超微顆粒，同時(shí)生成的超微顆粒易于形成凝聚體的假顆粒，難以再分散。 1 4 本論文主要研究內(nèi)容 經(jīng)過查閱國內(nèi)外資料以及對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備方面的考慮，本課題采用溶膠一凝膠 法制備i t 0 薄膜。以l n c l 3 4 h 2 0 和s n c l 4 5 h 2 0 為前驅(qū)物，無水乙醇作溶劑制備了i t o 透明導(dǎo)電薄膜。由于】t o 薄膜具有非常廣泛的實(shí)用價(jià)值，研究它具有重大得現(xiàn)實(shí)意 義。 本論文通過分析不同s n 摻雜量、不同熱處理溫度和熱處理時(shí)間、不同鍍膜層數(shù) 以及不同熱處理氣氛下薄膜的性能，以求得制備薄膜的最佳工藝條件。 用紫外一可見光譜( u v v i s ) 、四探針法( f o u r p o i n tp r o b e ) 、 x 射線衍射 ( x r d ) 、原子力顯微鏡( a f m ) 等現(xiàn)代測試分析技術(shù)研究了不同條件下所制備的i t 0 透明導(dǎo)電薄膜的組分、微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性、電學(xué)特性以及它們之間的關(guān)系。 4 第二章l t 0 薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其表征 第二章lt o 薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其表征 2 1 it o 薄膜材料的制備方法 l t 0 透明導(dǎo)電膜是用物理或化學(xué)的方法在基體表面上沉積得到的，基體材料一般 采用玻璃，但如果采用低溫濺射工藝制備方法時(shí)，也可以采用聚合物材料，如塑料等。 基體的熱膨脹系數(shù)也必須與i t o 薄膜相匹配。常用的制備方法有：p v d 沉積法、c v d 沉積法、噴霧熱分解法、溶膠凝膠( s 0 1 g e l ) 法。制得的l t o 薄膜的性能與制備方 法密切相關(guān)，不同的制備方法對其性能影響很大【2 l j 2 1 1p v d 沉積法 采用物理氣相沉積( p v d ) 制備i t o 透明導(dǎo)電膜的方法有電子束( e b ) 蒸發(fā)、高密 度等離子體增強(qiáng)( h d p e ) 蒸發(fā)和低壓直流( d c s p ) 濺射等技術(shù)【2 2 ：引。e b 蒸發(fā)技術(shù)是在 物理相沉積時(shí)電子束聚焦于材料上而被加熱，使原材料蒸發(fā)并沉積于襯底上，從而生 成i t o 薄膜。這種方法的沉積溫度( 襯底溫度) 低于3 5 0 時(shí)沉積出的i t o 薄膜電阻率 太高，以至于不能作為透明導(dǎo)電材料使用，故這種方法般被選作i t o 膜沉積的參 照工藝。 h d p e 蒸發(fā)沉積低阻i t o 薄膜是在5 0 氧氣和5 0 氮?dú)? 總壓力為o 1 p a ) 的混合 氣體中，在襯底溫度為2 0 0 的條件下生產(chǎn)的。 d c s p 濺射法即亢流磁控濺射法是利用a 卜o ：混合氣氛中的等離子體在電場和交 變磁場的作用下，對i n s n 合會(huì)靶或j n ：0 3 s n 0 2 氧化物靶或陶瓷靶進(jìn)行轟擊，被加速 的高能粒子轟擊靶材表面，能量交換后靶材表面的原子脫離原品格而逸出，并轉(zhuǎn)移到 基體表面而成膜。直流磁控濺射法應(yīng)用較廣，但最佳參數(shù)的控制與國外比還有一定差 距，主要問題是銦材料損失比較嚴(yán)重。 2 1 2c v d 沉積法 化學(xué)氣相沉積( c v d ) 法是氣態(tài)反應(yīng)物( 包括易蒸發(fā)的凝聚念物質(zhì)蒸發(fā)后變成的氣 念反應(yīng)物) 在基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而沉積成膜的工藝?；w表面的這種化學(xué)反應(yīng)通 常包括銦源物質(zhì)的熱分解和原位氧化。c v d 法所選的反應(yīng)體系必須滿足泌2 5 】：( 1 ) 在 沉積溫度下，反應(yīng)物必須有足夠的蒸汽壓；( 2 ) 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物除了所需的沉積物為固 態(tài)外其余必須為氣態(tài)；( 3 ) 沉積物的蒸汽壓應(yīng)足夠低，以保證能較好地吸附在具有一 定溫度的基體上。但此法因必須制備具有高蒸發(fā)速率的銦前驅(qū)物而使生產(chǎn)成本較高。 5 內(nèi)蒙吉師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 ，3 噴霧熱分解法 嗩霧熱分解法是將會(huì)屬鹽溶液霧化后噴入高溫區(qū)同時(shí)進(jìn)行干燥和熱分解的工藝 方法?；眍悋婌F熱分解過程很復(fù)雜。v i g u i e 川等研究了噴霧熱分解過程巾在基體表面 的反應(yīng)類型，他們認(rèn)為最重要的參數(shù)是基扳溫度、噴霧廣e 流速度、溶液濃度、液滴尺 寸、噴嘴?；w的距離。通常把三氯化鍘和兀水氯化錫按一定比例溶入乙醇中，噴霧 速率為9 io c m 3 m i n 一。 2 1 4 溶膠凝膠( s ol _ g e1 ) 法 溶膠凝膠法是制備材判的低溫濕化學(xué)合成法。該技術(shù)是將易于水解的令屬化合 物( 無機(jī)鹽或金屬醇吉l ：) 在某種溶劑巾j 溶劑發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過水解t j 絎f 聚過程而逐漸凝 膠化，再經(jīng)干燥、燒結(jié)等處理最后制得所需的材料。 溶膠凝膠 ! i 是以金屬醇豁的水解和聚合反應(yīng)為媾礎(chǔ)的舊，其反應(yīng)過程通常用下 列方程式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 表示： ( 1 ) 水解m ( o r ) n + x 1 0 _ m ( o r ) n x ( o 啪x + x h ! o ( 2 一1 ) ( 2 ) 縮合一m o h + h o m 一一m o m 一+ h 1 0 m o h + r o m 一，m o m 一+ r o h( 2 2 ) 經(jīng)過充分水解、縮合后，最后形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的凝膠體系。而這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)f 是h 金 屬氧橋構(gòu)成的，與氧化物陶瓷結(jié)構(gòu)類似并且在分子水平卜就達(dá)劍了均勻，這 | i 現(xiàn)了 s 0 1 g e l 法的優(yōu)點(diǎn)【2 8 】，但在溶膠一凝膠法制備過程中常碰到一些問題：如起始原料( 又 稱為i 西驅(qū)物) 會(huì)屬醇鹽在醇中反應(yīng)活性大，易生成沉淀；而且很多醇鹽在國內(nèi)很難買 到：另外，由于不同醇鹽的水解速度不同，使得組分均勻性成為問題 ! 引。因此，昂貴 的原材料和復(fù)雜的工藝條件，使其性能與價(jià)格比達(dá)不到實(shí)用水平。 在相當(dāng)長的時(shí)問內(nèi)，溶膠凝膠法技術(shù)發(fā)展很緩慢，直到6 0 年代術(shù)，7 0 年代初， 隨著d i s l i c h 等人以眾多原料【3 0 】( 如：金屬醇鹽、醋酸鹽、乙酞、丙酮鹽、硝酸鹽、氯 化物等) 作為溶膠一凝膠法的前驅(qū)物，用s 0 1 g e l 法在玻璃表面鍍覆多組分氧化物薄膜 的專利發(fā)表，彳掀起了s 0 1 g e i 法的研究熱潮。原料的多樣化使得古老的s o l ，g e l 法 有了新的生命，材料科學(xué)家與化學(xué)家攜手合作，在非金屬材料合成上進(jìn)行了一場技術(shù) 革命，s 0 1 g e l 法彳真f 具有了實(shí)用價(jià)值。無論是會(huì)屬醇鹽還是無機(jī)鹽作為阿驅(qū)物， 發(fā)生水解和聚合反應(yīng)后形成的溶膠即，分散相顆粒在1 1 0 0 n m 之間的分散體系。溶 6 第二章i t o 薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其表征 膠外觀透明不渾濁，在普通顯微鏡下看不見它的分散相粒子，不易受重力影響與分散 介質(zhì)分離沉降。 溶膠足指微小的固體顆粒：懸浮分散在液相中，并且不停的進(jìn)行向朗運(yùn)動(dòng)的體系。 由于界【斯原了的g i b b s 自由能比內(nèi)部原子高，溶膠是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。若無其它條 件限制【3 l 】，膠粒傾向于自發(fā)凝聚，達(dá)到低比表面狀念。若上述過程為可逆，則稱為絮 凝：若不可逆，則稱為凝膠化。起始原料可以選取無機(jī)鹽或金屬醇鹽。 l l j 于s o l g e l 法獨(dú)特的工藝使得s o l g e l 法有諸多優(yōu)點(diǎn)，陔方法的突出優(yōu)點(diǎn)是p 土 3 3 】：( 1 ) 工藝過程溫度低，材料制備過程易于控制，可以制得一些用傳統(tǒng)方法難以得 到或根本得不到的材料；( 2 ) 制品均勻性好，尤其是多組分制品，其均勻度可達(dá)分子 或原子尺度；( 3 ) 制品純度高；( 4 ) 在制備薄膜方面可以人面積成膜。因此，近些年來 s 0 1 一g e l 法受到了國內(nèi)外材料領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的普遍重視，并在不同領(lǐng)域得到了應(yīng)用。 例如，超導(dǎo)材料、功能陶瓷材料、非線性光學(xué)材料、材料的表面鍍膜處理等。 2 2it o 薄膜材料的結(jié)構(gòu) i n ：0 3 薄膜屬于氧化物半導(dǎo)體透明導(dǎo)電薄膜，s h j g e s a t o 等人【“】，用掃拙電鏡 ( s e m ) 、透射電鏡( t e m ) 和平面圖像高分辨電鏡( h r e m ) 研究了各種技術(shù)生長的i t o 薄膜的微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)i t o 薄膜材料是復(fù)雜的立方鐵錳礦型結(jié)構(gòu)( 即立方i n 2 0 3 結(jié)構(gòu)如 圖2 1 所示【2 】， 1 0 0 方向是大多數(shù)明顯耿向的多品體，晶格常數(shù)是1 0 1 1 7 n m ，密度 是7 1 2 c m 3 。用s 訂4 + 占據(jù)品格中的t n “的位置，會(huì)形成一個(gè)一價(jià)幣電荷中心s n 和一 個(gè)多余的價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子掙脫束縛而成為導(dǎo)電電子，砰論計(jì)算f 3 5 j ，和實(shí)驗(yàn)表明1 3 6 1 在制備i t o 時(shí)，摻入s n 的結(jié)果是增加了凈電子，使品粒導(dǎo)電性增加。 7 內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 氧缺位。這樣出現(xiàn)了不等價(jià)的兩類陰離子，臨近的和遠(yuǎn)離缺位的氧離子f 3 8 j 。 在還原氣氛中，l n l 0 3 會(huì)失去電子，其結(jié)構(gòu)可以表示為： i n 2 0 ( 場，) e 幺 ( 2 3 ) 其中x = o 0 1 ，場表示一個(gè)帶f 電荷2 e 的氧空位，p 是表示為保持宏觀電中性而需要 的電子。當(dāng)i n ：0 3 摻雜有s n 時(shí)，s n 以s n 4 + 的形式替代i n 3 + 而存在，可表示為： i n 軸s np o 乒： ( 2 4 ) 這里，我們已經(jīng)忽略了氧空位。因?yàn)橛邪俜种畮椎膕 n 時(shí)，氧空位就可以忽略【3 6 】。每 個(gè)s n 原子提供一個(gè)電子。有文獻(xiàn)【3 9 】指出，低溫沉積i t o 薄膜中氧缺位是提供電子的 主要來源，高溫在位制備和退火處理后薄膜的品格收縮來源于s n 4 + 對i n 3 + 的替換成為 載流子的主要來源。 2 3 it o 薄膜的電學(xué)性質(zhì)表征 2 3 1 i t 0 透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電機(jī)理 要解釋會(huì)屬氧化物透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電性的來源，可以簡單地?cái)⑹鋈缦拢簳?huì)屬原子與 氧原子鍵結(jié)時(shí)，傾向于失去電子而成為陽離子，而在會(huì)屬氧化物中，具有 ( n 1 ) d l o n s o ( n = 4 ，n 為主量子數(shù)) 電子組態(tài)的金屬陽離子，其s 軌域會(huì)作等向性的擴(kuò)展。 如果晶體中有某種鎖狀結(jié)構(gòu)，能讓這些陽離子相當(dāng)接近，使它們的s 軌域重疊，便可 形成傳導(dǎo)路徑。再加上可移動(dòng)的載子( 材料本身自有或由摻雜物而來) ，便具有導(dǎo)電性 了。 關(guān)于i t o 膜的導(dǎo)電機(jī)理人們有多種論述，總體上可歸納為三點(diǎn)： 1 氧空位導(dǎo)電。 2 i n 3 + 格點(diǎn)被s n 4 + 轉(zhuǎn)換形成的導(dǎo)電雜質(zhì)。 3 i n 晶格問存在填隙原子而導(dǎo)電。 可見i t o 膜的載流子主要來自氧空位和替位離子的貢獻(xiàn)。 薄膜的電阻率可表示為： p 一肌u r 刀已2 a ( 2 5 ) 8 第二章l t o 薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其表征 式中m 為電子質(zhì)量，u ，為費(fèi)米面為球形時(shí)具有的電子速度，n 為電子密度，e 為電子 電量，a 為電子平均自由程。a 同晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，如果晶體結(jié)構(gòu)的周期性是完善的， 則電子同品格之間不會(huì)發(fā)生散射，故電子的自由程為無窮大，電阻率p 為零。任何破 壞晶格周期性的物理缺陷都會(huì)縮短自由程，電子散射、雜質(zhì)和缺陷等都會(huì)破壞品格的 周期性，增加電阻率p 。另外當(dāng)膜厚可同電子平均自由程度相比較時(shí)，電子將在界面 上發(fā)生漫反射，影響電阻率，此時(shí)膜厚對電阻率的影響可由s o n d h e i m e r 的薄膜導(dǎo)電 理論得出： p = 島( 1 + 3 九跗) ( 2 - 6 ) 式中d 為膜厚，九為厚度無窮大時(shí)的電子平均自由程，風(fēng)為膜厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于九時(shí)的電 阻率?？梢哉J(rèn)為聲子散射以及雜質(zhì)、空位與平均自由度等因素相互獨(dú)立地影響著平均 自由程，進(jìn)而影響著電阻率。并將上述因素均歸結(jié)為對自由程的影響，可以得出以下 關(guān)系： p ：竺( 土+ 土+ 土+ 三+ - + 三) ( 2 7 ) p2 吾石+ 石+ 石+ 石t 一+ 方 憶。7 刀p t a 雜五锨a 羿 為d 式中知，九，k ，b 分別是聲子、雜質(zhì)、缺陷、界面所限制的平均自由程，術(shù)項(xiàng)3 8 d 表示厚度的影響。 由上式( 2 7 ) 可得出以下結(jié)論： ( 1 ) 電阻率同電子密度成反比，如果希望薄膜的導(dǎo)電性能好， 則應(yīng)設(shè)法增加電子密 度。 ( 2 ) 膜的厚度不能太厚，否則平均自由程效應(yīng)會(huì)使p 增加，因此要得到導(dǎo)電性能良 好的薄膜，可在不影晌透光率的情況下增加厚度。 ( 3 ) 制作時(shí)應(yīng)盡力獲得完整的結(jié)晶和減少缺陷，以便增加平均自由程，從而使p 減 少，導(dǎo)電性增加。 對于透明導(dǎo)電膜而言，一方面透明性能要求材料中的自由電子要少，材料的能帶 寬要大( 大于3 e v ) ：另一方面導(dǎo)電性能則要求材料的電阻率要低，自由電子要多，只 有同時(shí)滿足這兩方面條件的材料才能用于制造透明導(dǎo)電膜。銦錫氧化物薄膜是一種n 型半導(dǎo)體陶瓷薄膜，符合化學(xué)計(jì)量比的則必須使其半導(dǎo)化，增加載流子密度。s n 0 2 和i n 2 0 3 均為寬禁帶絕緣體，若要得到導(dǎo)電且對可見光透明的薄膜，則必須使其半導(dǎo) 9 內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 化，增加域流了濃度。半導(dǎo)化后的i t o 薄膜禁；莆較寬( 約為3 5 4 3 e v ) ，載流予密度 較高( 為1 0 二1 c m + 3 ) ，電阻率較低( 為7 1 0 51 0 4q 溯) ，是口前練合性能最好的透明 導(dǎo)電材料。 材料的電導(dǎo)率可表示為： 拶= 托2 “ ( 2 8 ) 式中n 為載流子濃度，e 為電子電流，“為載流予的遷移率。薄膜中載流子的遷移率 很小( 約為1 5 4 5 0 c ，竹2 y s 。1 ) ，要得到高的電導(dǎo)：簦，就要提高載流子的濃度，通過 絕緣體的半導(dǎo)化可以獲得高的載流子濃度。i t o 薄膜的半導(dǎo)化途徑有兩種，即摻雜半 導(dǎo)化和組分缺陷半導(dǎo)化。 摻雜半導(dǎo)化是通過在i n ! 0 3 中摻入高價(jià)s n “得以實(shí)現(xiàn)的，摻雜后s n “置換部分 i n “，s n 4 + 俘獲一一個(gè)電子變成研z “p 而孩被俘獲的i 乜子是被s n “弱束縛的，成為載流子 的主要來源，摻雜后的i n ：0 3 可表示為：歷，! ：s 門：+ q ，這種半導(dǎo)化機(jī)制可表示： i n ! 0 3 + x 砌“一覷( 跏“r p ) 。d 3 + 砌3 + ( 2 9 ) 組分缺陷半導(dǎo)化，即化學(xué)計(jì)量比偏移，是通過對i n ：0 3 進(jìn)行還原處理，使其部分 0 2 。脫離原品格，并在原品格處留下兩個(gè)電子，使部分i n 3 + 變成低價(jià)i n 即( i n 3 + 2 e ) ， 從符合化學(xué)計(jì)量比的l n ! 0 3 變?yōu)榉腔瘜W(xué)計(jì)量比的肪覷：眩，形成氧缺位，從而實(shí)現(xiàn) 材料的半導(dǎo)化，這種半導(dǎo)化機(jī)制可表示為： i n ：o ，一覷；：，( 覷3 + 2 已) ，眩+ 差q f( 還原處理) ( 2 - 1 0 ) 作為透明導(dǎo)電膜，電導(dǎo)率除決定于載流子濃度外，遷移率也是一個(gè)重要影響因素。7 一般透明導(dǎo)電膜遷移率都較低，它與載流子濃度、溫度等均有關(guān)。對遷移率的特性， 人們提出了電離雜質(zhì)散射和晶界散射兩種模型來解釋，究竟何種機(jī)制起主要作用還存 在爭論。 2 3 2l t 0 透明導(dǎo)電膜方塊電阻的定義 電阻率是半導(dǎo)體的重要電學(xué)參數(shù)之一，而在薄膜中，我們常用方塊電阻來代替電 1 0 第二章i t 0 薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其表征 阻率表示其導(dǎo)f 【l 能力。圖2 2 是電流平行經(jīng)過i t o 膜層的情形，其中d 為薄膜厚度， i 為 b 流，l l 為舀i 電流方向上的膜層長度， 電流流過如圖1 3 所求的方形導(dǎo)電膜層時(shí)， k 為在垂氳于電流方向上的膜層長度。當(dāng) 陔層的f 乜阻為： 圖2 7i t 0 薄膜方塊電阻示意圖 r ：出 ( 2 一1 1 ) d l 2 式中，p 為導(dǎo)電膜的電阻率。對于給定的薄膜p 和d 可以看成是定值。當(dāng)l 1 = k 時(shí)， 即為正方形的薄膜時(shí)，無論其邊長大小如何，其電阻值均為定值p d 。這就是方塊電 阻的定義，即 r ；旦 ( 2 1 2 ) 式中，r 的單能為：歐姆方塊fq 門) 。由此可以看出方塊電阻( 又稱為表而電阻) 與l t o 膜層的電阻率p 和i t o 膜厚d 有關(guān)。 測量電阻率的方法有很多，如二探針法、四探針法、擴(kuò)散電阻法等。而四探針法 是目前檢測半導(dǎo)體材料電阻率一種廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法【3 4 1 。但四探針法只能給出薄膜 樣品的方塊電阻，需測定薄膜的厚度計(jì)算出薄膜的電阻率。實(shí)驗(yàn)用s z 8 2 型四探針測 圖2 3 四探針法測方塊電阻 試儀測量方阻。四探針法具有設(shè)備簡單操作方便、精度高、對樣品的幾何形狀無嚴(yán)格 1 1 內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 要求等優(yōu)點(diǎn)。一般的儀器均采用直線等距四探針【矧，如圖2 3 所示。 設(shè)探釗+ l 日j 距為s ，樣品電阻率為p ，對于薄膜樣品，只要探針間距遠(yuǎn)大于樣品的 厚度，就可以不考慮電流在縱向的衰減，引入點(diǎn)電流源的探針的電流強(qiáng)度為i 則產(chǎn)塵 的電力線為圓帶形，即等位面是一系列以點(diǎn)電源為中心的厚度為d 的圓帶，即： t i j = 一2 兀r d 其中，r 為離丌點(diǎn)電源的距離，i 為該處的電流密度，若e 為r 處的電場，則 令探針2 處的電位為零，則探針1 處的電位為： 所以： 吣卜是# 郵) 一舄( 1 n r - 1 n s ) 同樣探針4 在距其r 處產(chǎn)生的電位為： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 毗歸舄( 1 n “n 2 s ) ( 2 - 1 5 ) 因?yàn)槲覀兗航?jīng)另探針2 處的電位為零，所以探針3 處的電位即v 2 3 為： 所以有： v ，；( 2 s ) + 由( s ) ：粵1 n 2 兀a r ：旦：三顯。飯3 2 攔 d1 n 2i i ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 只要測出探針2 、3 之問的電壓和流過探針1 的電流l ，就可以求出方阻r ，方塊電 阻與薄膜厚度之積即為薄膜的電阻率。 2 4i t 0 薄膜的光學(xué)性質(zhì)表征 2 4 1 可見光透過機(jī)理 1 2 第二章l t o 薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其表征 材料的光學(xué)特性與禁帶寬度密切相關(guān)，禁帶寬度主要取決于薄膜中的原子組成和 成鍵狀態(tài)，但也受到雜質(zhì)和缺陷的影響，材料中的缺陷和外部的摻雜可顯著改變載流 子濃度進(jìn)而影響材料的帶隙。 l t o 薄膜的光學(xué)性能主要是指可見光區(qū)的透射率和紅外反射率。當(dāng)入射光能量大 于禁帶寬度時(shí)，會(huì)將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶。1 t o 薄膜的禁帶寬度都在3 5 e v 以上， 由于可見光光子的平均能量大約為3 1 e v ，可知這類薄膜材料在可見光的照射下不能 將價(jià)帶的載流子激發(fā)到導(dǎo)帶而引起本征激發(fā)，所以i t o 薄膜在可見光范圍內(nèi)具有較 高的透過率。只有波長在4 0 0 3 5 0 n m ( 紫外線) 以下的光才具有足夠的能量，自由電 子在能帶問遷移而產(chǎn)生光吸收。因此，l t o 薄膜對紫外光吸收( 不透明) ，而在可見 光范圍內(nèi)i t o 薄膜是透明的。 i t o 是一種n 型簡并半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶低端能級己經(jīng)被完全充滿，這使其禁帶發(fā)生 了遷移，遷移的程度由兩種作用機(jī)制互相作用得到：一種是由于電子一電子和電子一 雜質(zhì)在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間躍遷而導(dǎo)致的i t 0 光學(xué)禁帶的窄化；一種是在短波長區(qū)( 波長 為4 0 0 n m 靠近紫外線光區(qū)) ，當(dāng)l t o 薄膜中載流子濃度增加時(shí)，薄膜的光學(xué)吸收限 ( a b s o r p t i o ne d g e ) 有往短波長區(qū)移動(dòng)的現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)薄膜的導(dǎo)電性提高須要有更高 能量的入射光光子能量爿能將價(jià)帶的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而使禁帶寬度加寬，因此薄 膜的光學(xué)吸收波長往高能量區(qū)域移動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象稱為b m 偏移( b u r s t e i n m o s ss h i f t ) ， 也就是i t o 薄膜在可見光和部分紫外光范圍呈現(xiàn)透明的原因?？梢杂霉奖硎緸椤? 習(xí)： m ；等隆撲枷 ( 2 1 8 ) 皈= 掣+ 厶( 蜂廠廳( 酶，) ( 2 1 9 ) 式( 2 1 8 ) 中，e ，表示光學(xué)禁帶寬化的增量；辦，k ，分別表示普朗克恒量、f e 冊i 波數(shù)、入射光子角頻率；加：，研：，分別表示價(jià)帶中空穴有效質(zhì)量、導(dǎo)帶中電子有效質(zhì) 量及自由載流子濃度。e ，代表b u r s t e i nm o s s 效應(yīng)產(chǎn)生的禁帶寬化的增量：由式 ( 2 1 9 ) 可以看出，與自由載流子濃度成f 比。由于高載流子濃度的作用，i t o 薄膜在 可見光區(qū)有高透射率。由式( 2 1 9 ) 可知，l t o 光學(xué)禁帶的寬化是由b u r s t e i nm o s s ( b m ) 效應(yīng)產(chǎn)生的，而雜質(zhì)能級的引入將導(dǎo)致光學(xué)禁帶的窄化。i t 0 在可見光區(qū)和近紅外區(qū) 吸收系數(shù)可以表示為： 1 3 內(nèi)蒙古師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 萬七 a 如2 了 ( 2 2 0 ) 式( 2 - 2 0 ) 中，k 是消光系數(shù)；a 是入射光波波長。這耳! 的k 很小，即薄膜對光潛的吸 收很低。光學(xué)禁帶的變化直接影h 向本征吸收限九大小。在可見光區(qū)，i t o 薄膜的吸收 主要表現(xiàn)為本征吸收，本征吸收限由下式?jīng)Q定： 九= 1 。2 4 e 。0 y ) ( 掣瓏) ( 2 2 1 ) 式( 2 2 1 ) 中最為禁帶寬度。i t o 禁帶寬度約3 5 e v ，地本征吸收波長限在約： 5 1 n m 處。 2 4 2lt o 薄膜的透過率 i n ! 0 3 ：s n 是利，直接躍遷寬禁帶n 型半導(dǎo)體材料，在可見光波長范幽內(nèi)，其復(fù)折 射率n = n i k 中消光系數(shù)k 很小，小于0 0 2 。此外，在l l j 見光范圍內(nèi)普通玻璃的吸收 也很小，因此為計(jì)算簡便，假設(shè)i t o 膜與基片玻璃均為各向同性、無吸收的均勻介 質(zhì)，各分界面均為理想光學(xué)表面，光線垂直入射。于是i t o 膜可見光透射率的可以 計(jì)算出來。 ( 1 一r 3 ) ( 1 - r ! ) i o ，1d 、。a d r 3 a d e e 8 d 圖2 4 有限厚襯底上薄膜樣品中光的多級反射 r l r 1 l o 材料對不同能量光子的吸收譜可以由透射譜求出。圖2 4 所示為個(gè)央在無限厚 空氣介質(zhì)和襯底之問的吸收薄層的多級反射圖：設(shè)入射光在界面上的反射率分別為 r 。和r 2 ，薄層的吸收系數(shù)為a ，厚度為d ，當(dāng)有波長為a 的單色光自空氣垂直入射時(shí)， 由于兩界面的反射作用，透過界面2 的總?cè)肷涔鈴?qiáng)度還包含了薄層內(nèi)兩界面問的各級 反射光在界面2 的透出部分。通過簡單分析可知各級反射光的透出強(qiáng)度構(gòu)成了一個(gè)以 1 4 第二章i t o 薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及其表征 ( 1 r 1 ) ( 1 一r ! ) c ?！盀槿醉?xiàng)，r l r ! e 也。為公比的等比數(shù)列。于是在界面2 測量的總透 過率t 可表爪為： t = ( 2 - 2 2 ) 1 一尺，尺，e ?！? 、 式中反射率r 。和r 二由界面兩側(cè)介質(zhì)的折射率米決定，對無吸收或弱吸收介質(zhì)i 和j 組成的界面，其值為： = 黑 p 2 3 ， 在襯底無吸收時(shí)，且只考慮界面3 和2 之問的多級反射的情況下，不難得到界面3 的總透過率t ，即實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y出的透過率即可表示為： t ：t ! 二壘 ( 2 2 4 ) 1 一尺二r3 光在固體中傳播時(shí)其強(qiáng)度遵從指數(shù)衰減規(guī)律，當(dāng)光在物質(zhì)中傳播距離l 后，光強(qiáng) 的變化關(guān)系為： m ，e 刊 沼2 5 ， 式( 2 2 5 ) 中，t ( a ) 為透過率，口為物質(zhì)的吸收系數(shù)，1 為光通過薄膜的距離。在不