3-5μm红外透明导电氧化物薄膜的研究

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红外气体检测系统因其测试精度高、速度快等优点被应用于矿井下检测可燃气体,矿井下粉尘和水蒸气严重干扰了气体检测灵敏度和精度,透明导电薄膜由于其独特的光电性能可以去除光学元器件上的粉尘和水蒸气。然而目前透明导电薄膜只在可见光波段透明,无法适用于红外气体检测常用的35μm大气窗口波段。因此,研究适用于35μm波段的透明导电薄膜对提高检测系统抗干扰能力具有重要意义。本论文使用离子束辅助热蒸镀和射频磁控溅射法,在石英、蓝宝石、硒化锌衬底上制备了三种红外透明导电薄膜,分别为In2O3薄膜、氧化铟掺铪(IHfO)薄膜、氧化锌掺铪(HZO)薄膜。研究了实验参数对薄膜晶体结构和光电性能的影响。首先,使用离子束辅助热蒸镀法制备制备了In2O3薄膜,分别研究了氧气流速和退火温度对In2O3薄膜晶体结构和光电性能的影响。结果表明In2O3薄膜具有(222)方向的择优取向,增加氧气流速有利于薄膜结晶。氧气流速为0.6 sccm时In2O3薄膜在3μm处的透过率约为78%,电阻率为3.9×10-2Ω·cm。退火温度逐渐增加时,薄膜晶粒尺寸增大。经过300℃退火后In2O3薄膜在3μm处的透过率大于90%,电阻率约为8×10-2Ω·cm。其次,使用射频磁控溅射法制备了IHfO薄膜,研究了掺杂浓度和退火温度对IHfO薄膜晶体结构和光电性能的影响。结果表明掺杂浓度由1wt.%增至4wt.%时,IHfO薄膜择优取向逐渐由(222)转变为(400)方向。测试结果表明IHfO薄膜中大部分Hf离子取代了晶格中In离子的位置。掺杂浓度为2wt.%时IHfO薄膜在35μm红外波段的平均透过率约为85%。掺杂浓度提高时IHfO薄膜透过率下降,电阻率上升。掺杂浓度为2wt.%时IHfO薄膜电阻率达到最小值,约为5×10-3Ω·cm。衬底温度为350℃时,制备的IHfO薄膜在35μm红外波段的平均透过率约为72%,电阻率约为1.2×10-3Ω·cm。最后,使用磁控溅射法制备了HZO薄膜,研究了溅射功率和自缓冲层对HZO薄膜晶体结构和光电性能的影响。结果表明溅射功率由60W增至80W时并没有改变HZO薄膜择优取向。溅射功率为70W时制备的HZO薄膜性能最优,薄膜在35μm红外波段的平均透过率约为68%,电阻率约为3.6×10-4Ω·cm。自缓冲层对HZO薄膜有晶向诱导和改善表面形貌的特点,带有自缓冲层的HZO薄膜比普通HZO薄膜在35μm红外波段内的平均透过率提高了约2%,迁移率提高了2.1 cm2V-1s-1,电阻率下降了约0.21Ω·cm。
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