氧化鈦薄膜的制備、微結(jié)構(gòu)及特性研究.pdf

1、非制冷紅外探測器一直以來都是紅外探測領域關注的焦點，其中對該器件中新型敏感材料的探索和研究更是該領域中的熱點。近年來，氧化鈦（TiOx）薄膜作為一種新型的熱敏材料在這方面的應用開始受到關注。
　　本文主要采用直流反應磁控濺射法在不同的工藝條件下成功地制備了不同晶相的TiOx薄膜，并通過掠入射X射線衍射（GIXRD）、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、原子力顯微鏡（AFM）、盧瑟福背散射譜（RBS）、X射線光電子能譜（XPS）以及

2、激光拉曼光譜（LRS）等多種儀器和方法對薄膜微觀結(jié)構(gòu)進行了分析和表征，較為系統(tǒng)地研究了濺射法制備不同晶相的TiOx薄膜的微觀物理機制以及不同晶相的TiOx薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀電學、光學特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為TiOx薄膜在非制冷紅外探測器中的應用作了較好的鋪墊。本論文的主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）通過控制不同的工藝參數(shù)在玻璃基片上制備了非晶相、多晶金紅石單相兩種不同晶相的TiOx薄膜，實驗結(jié)果表明TiOx薄膜的晶相與濺射過程中的基

3、片溫度（Ts）、氧分量（pO2）以及膜厚等參數(shù)有著密切的聯(lián)系。當膜厚約為100 nm，Ts從30 oC上升到200 oC，pO2從1.5％增加到9%時，TiOx薄膜都具有非晶相結(jié)構(gòu)（a-TiOx）。而當膜厚約為180 nm，在Ts為200 oC，pO2從5%增加到10%的條件下可以制備得到金紅石單相氧化鈦（R-TiOx）薄膜，且隨著pO2的增加，R-TiOx薄膜中納米晶粒的平均大小從10.88 nm增加到了13.66 nm，薄膜的均方根

4、粗糙度從2.2 nm增加到3.6 nm。
　　（2）研究了氧氣退火對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的影響，實驗中將制備的厚度分別為280 nm和265 nm的a-TiOx和R-TiOx薄膜在一定條件的氧氣氛圍中退火后發(fā)現(xiàn)退火前的非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)椋ń鸺t石+銳鈦礦）混合相，其中金紅石相和銳鈦礦相的納米晶粒平均大小分別為12.5 nm和14.6 nm；R-TiOx薄膜在氧氣中進行退火處理后的晶體結(jié)構(gòu)仍為金紅石相，但是薄膜中的納米顆粒平均尺度從退火前的11

5、nm增加到12.6 nm。
　?。?）對不同晶相的TiOx薄膜光學特性的研究結(jié)果表明由于氧空位和聲子限域效應等因素的影響，三種不同晶相的TiOx薄膜的拉曼光譜中拉曼散射峰峰形出現(xiàn)了明顯的寬化和不對稱現(xiàn)象，其中金紅石相和銳鈦礦相對應的拉曼散射特征峰中心位置分別出現(xiàn)了紅移和藍移現(xiàn)象。由于量子尺寸效應等因素，三種不同晶相的TiOx薄膜的光學帶隙相對于單晶TiO2都出現(xiàn)了藍移現(xiàn)象，而晶態(tài)TiOx薄膜的光學帶隙相對于a-TiOx薄膜出現(xiàn)了紅

6、移現(xiàn)象。
　?。?）在TiOx薄膜晶體結(jié)構(gòu)和組分對薄膜的電學特性的影響研究中發(fā)現(xiàn)，在a-TiOx薄膜中，當O、Ti元素濃度比在1.72至1.96范圍內(nèi)變化時，薄膜的室溫電阻率和相應的電阻溫度系數(shù)（TCR）絕對值分別在0.21?cm到55.2?cm和1.2%至2.2%范圍內(nèi)變化。此外，發(fā)現(xiàn)200 oC時制備的a-TiOx薄膜在電阻率較小時可以具有較大的TCR。比較不同晶相的TiOx薄膜的電學特性后發(fā)現(xiàn)退火后的R-TiOx薄膜的TCR

7、較大，電阻率隨時間的變化最小，即電學穩(wěn)定性最好。
　　（5）對不同晶相的TiOx薄膜在20 oC至100 oC溫度范圍內(nèi)的導電機制進行了深入研究，結(jié)果表明a-TiOx薄膜在以上溫度范圍內(nèi)主要依靠熱激發(fā)至擴展態(tài)上的自由電子導電，而多晶金紅石單相以及多晶（金紅石+銳鈦礦）混合相TiOx薄膜在這個溫度范圍內(nèi)的導電性主要依靠熱激發(fā)至導帶上的自由電子共有化運動。此外，發(fā)現(xiàn)a-TiOx薄膜載流子的輸運特性遵從正向或反向Meyer-Nedel