ITO薄膜的透射譜的建模及解譜

2009-05-09 郭守月安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院

　 ITO薄膜具有將物質(zhì)導(dǎo)電性和透明性集于一體的獨(dú)特光電性質(zhì)。近來的研究表明,透明導(dǎo)電薄膜的光、電機(jī)理在一定程度上啟發(fā)了制備高性能的光學(xué)能帶調(diào)制結(jié)構(gòu)材料。ITO薄膜作為透明導(dǎo)電氧化物薄膜的代表,在過去的二十多年里人們對(duì)它作過大量的研究,但主要致力于對(duì)各種條件下晶態(tài)薄膜在可見光區(qū)的透射率和電導(dǎo)率的改善。而低溫下沉積的非晶態(tài)ITO薄膜在對(duì)溫度敏感的柔性電光器件、有機(jī)薄膜發(fā)光器件上應(yīng)用都具有明顯的優(yōu)越性。

本文研究了在低溫下制備的非晶態(tài)和空氣中退火后的多晶ITO薄膜的微結(jié)構(gòu),利用橢偏解譜的方法對(duì)ITO 薄膜的透射譜進(jìn)行擬合,得到了所制備系列薄膜的光學(xué)常數(shù)和在光學(xué)吸收邊附近的光學(xué)性質(zhì)。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1、樣品制備

用JGP560型超高真空多功能磁控濺射儀,采用直流磁控濺射工藝在室溫下制備了ITO透明導(dǎo)電薄膜。采用高純度(99199 %) 的氧化銦錫陶瓷靶材(wt190 %In2O3 + wt110 %SnO2 ,Φ60mm) ,基片為普通載玻片(10mm ×10mm ×2mm) 。在樣品制備前,載玻片先后經(jīng)丙酮、酒精和去離子水超聲各清洗15min ,并用烘箱烘干。濺射時(shí)本底真空度為610 ×10 - 4Pa ,靶基距6cm ,Ar 氣流量45sccm ,濺射壓強(qiáng)1Pa ,濺射電壓320V ,濺射電流0114A ,時(shí)間為215min。將制成的膜厚約為130nm 的5 個(gè)樣品(樣品編號(hào)為1、2、3、4和5) 中的2、3、4 和5 號(hào)樣品分別在100、200、300 和400 ℃下退火1h。

1.2、測(cè)量

采用MAC M18XHF 全自動(dòng)轉(zhuǎn)靶型X 射線衍射儀測(cè)量了ITO 透明導(dǎo)電薄膜的X 射線衍射譜。用ShimadzuUV2265 型紫外- 可見分光光度計(jì)測(cè)量ITO薄膜的透射率。實(shí)驗(yàn)中將未鍍膜玻璃的透射曲線為參照,再將鍍膜玻璃放在樣品測(cè)試架上進(jìn)行掃描,對(duì)比即可得到ITO 薄膜的透射率曲線。掃描鍍膜玻璃的參數(shù)與掃描參照玻璃的參數(shù)相同: 狹縫寬度為1nm ,波長掃描范圍為300nm～800nm ,響應(yīng)時(shí)間為1min。

1.3、數(shù)據(jù)處理

橢偏解譜的基本原理是利用式(1) 橢偏方程通過回歸算法把橢偏測(cè)量?jī)x輸出的一組橢偏參數(shù)ψ、Δ進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,從而得到薄膜厚度d 及折射率nF(若膜有吸收, 則nF 為復(fù)折射率, 可用nF = n + ik表示) 。在解譜軟件中橢偏測(cè)量?jī)x輸出的一組橢偏參數(shù)ψ、Δ 就是目標(biāo)(target) 文件,利用計(jì)算機(jī)編程將透射譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成橢偏解譜軟件中的目標(biāo)(tar2get) 文件,解譜程序即自動(dòng)轉(zhuǎn)換為有關(guān)透射率和光學(xué)常數(shù)以及厚度等參數(shù)的運(yùn)算關(guān)系。然后建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯?duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。當(dāng)擬合數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差值、均方根誤差(RMSE) 以及各變量間的影響因子都達(dá)到滿意的結(jié)果時(shí),就得到了光學(xué)常數(shù)、厚度以及其他相關(guān)的參數(shù)值。

其中n0 為入射介質(zhì)折射率、d 和nF 為薄膜厚度及折射率、ns 為基片折射率、φ0 和λ為橢偏光束的入射角和波長。

2、結(jié)果與分析

五個(gè)樣品的XRD 如圖1 所示。未退火的1 號(hào)樣品主要是非晶結(jié)構(gòu),退火后薄膜變成多晶結(jié)構(gòu),隨著退火溫度的升高, (222) 面的衍射峰漸強(qiáng)。

圖1 　不同退火溫度的ITO 薄膜X射線衍射圖譜

　　與橢偏數(shù)據(jù)解譜不同的是,透射譜的數(shù)據(jù)點(diǎn)很多,建立復(fù)雜的模型會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)算的速度,鑒于ITO 薄膜是既透明又導(dǎo)電的,既有自由電子的貢獻(xiàn)也有晶格散射貢獻(xiàn),在此建立單層的Drude + LorentzOscillator 模型,其色散關(guān)系如式(2) 。