Impact of substrate temperature on the microstructure, electrical and optical properties of sputtered nanoparticle V2O5 thin films

Applying reactive direct current (DC) magnetron sputtering method, nanoparticle vanadium pentoxide thin films were deposited onto glass slides and KBr substrates at different substrate temperatures. The films were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscope. Infrared spectra were recorded with a Fourier transform infrared spectrophotometer. It was found that, excepting the compositions, the film growth and vanadium oxygen bonds were strongly affected by the substrate temperature. Electrical measurements indicated that the square resistances of films showed an exponential decrease from 46 MΩ/□ to 33 kΩ/□ with substrate temperature increasing from 433 K to 593 K, and that the square resistance-temperature curves of films exhibited typical semiconducting behavior. Optical investigations were carried out in the near infrared and ultraviolet-visible range. Transmittance varied from about 95 to 55% in near-infrared range when the substrate temperature was elevated. In ultraviolet-visible range, optical band gaps and refractive indexes of films were deduced according to the transmission and reflection spectra.     

基底温度对三氧化钨薄膜光电化学性能的调控研究

由于环境友好性、高的地球丰度和稳定的物理化学性质,三氧化钨在光电响应、光催化领域应用潜力巨大,受到了人们的广泛关注.薄膜形态的光催化材料能够避免粉体材料的团聚问题,并且在转移、回收再利用方面优势明显,因此制备用于光催化的三氧化钨薄膜是当前的研究前沿.本文通过磁控溅射在石英玻璃基底上沉积三氧化钨薄膜,研究了不同基底温度对薄膜结构和形貌的影响.采用X射线衍射、X射线光电子能谱、场发射扫描电镜、紫外可见吸收光谱、电化学工作站、光催化自组装平台对薄膜的成分形貌、光电化学性能、光催化活性进行表征.测试结果表明:基底温度为500℃时制备的单斜相三氧化钨薄膜具有较好的结晶性和更少缺陷,在500℃的基底温度下,新出现的(002)晶面取向的晶粒导致薄膜表面粗糙度和表面能增加,提升了光生电子空穴分离效率.光降解实验进一步证实此条件下制备的样品表现出最佳的光降解效率.可见,基底温度对磁控溅射制备的三氧化钨薄膜的光电化学性能有明显的调控作用.     

高速钢基体离子注氮对c-BN薄膜制备的影响研究

采用射频磁控溅射法在离子注氮的高速钢基体上沉积制备c-BN薄膜,主要研究离子注氮层对c-BN薄膜相结构和内应力的影响;采用各种现代分析方法对沉积的薄膜进行了表征分析,包括傅立叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)等分析方法;试验结果表明:高速钢基体上离子注氮有利于立方氮化硼含量的提高和薄膜内应力的降低,同时注氮处理的高速钢基体上沉积的薄膜表面形貌平整,结晶性较好.并采用X射线衍射分析(XRD)对高速钢基体的离子注氮层进行了相结构分析,探索研究了离子注氮层对c-BN薄膜生长的影响.     

室温直流磁控溅射制备ITO膜及光电性能研究

室温条件下,在玻璃衬底上,采用直流磁控溅射法制备了ITO膜.研究了溅射压强,氧流量和溅射功率等工艺参数对薄膜光电性能的影响.结果表明当Ar流量为44.2 sccm和溅射时间20 min等参数不变时,溅射气压0.7 Pa,氧流量0.62 sccm和溅射功率130 W为最佳工艺条件.并得到了电阻率5.02×10-4 Ω·cm,在可见光区平均透过率80%以上ITO薄膜.     

用于紫外光电导探测器的TiO2薄膜研究

采用直流反应磁控溅射的方法,制备了TiO2薄膜。用X射线衍射,原子力显微镜(AFM)和紫外-可见光分光光度计分别测试了TiO2薄膜的晶体结构、表面形貌及其紫外-可见光吸收谱,采用C／TiO2／ITO三层结构制备了TiO2光电导型紫外探测器,研究了它的光响应。初步实验结果表明：TiO2薄膜在4W的紫光灯辐射下,光电流可达2．1mA,10min的辐射时间内,光电流基本保持稳定,可见TiO2薄膜对紫外光有较高的灵敏度和稳定性,可作为一种良好的紫外光探测材料。     

柔性衬底上WOx薄膜的制备及特性研究

采用射频磁控溅射工艺,在柔性PET衬底上低温制备电致变色WOx/ITO/PET多层薄膜.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)分析所制备薄膜的原始态、着色态和退色态的微观结构、表面形貌及W元素的化合价态.结果表明:原始态、着色态及退色态的WOx薄膜均为非晶态;原始态薄膜表面存在较多孔洞,薄膜在LiClO4的乙腈溶液中进行电致变色反应,实验发现着退色态薄膜颜色可发生可逆变化,随Li 的注入和抽出,薄膜表面形貌发生明显变化;XPS分析进一步表明WOx薄膜在原始态中W元素的化合价为W6 ,着色态存在W6 和W5 的混合价态.     

磁控溅射制备ITO薄膜光电性能的研究

采用直流磁控溅射方法在玻璃基底上制备了ITO薄膜.分别用分光光度计和四探针仪测试了所制备ITO薄膜在可见光区域内的透过率和电阻率,研究了溅射气压、氧氩流量比和溅射功率三个工艺参数对ITO薄膜光电性能的影响.研究结果表明,制备ITO薄膜的最佳工艺参数为:溅射气压0.6 Pa,氧氩流量比1:40,溅射功率108 W.采用此工艺参数制备的ITO薄膜在可见光区平均透过率为81.18％,薄膜电阻率为8.9197×10-3Ω·cm.     

Electrical conductivity and transition temperature of NbN thin films

Niobium nitride thin films are grown using reactive RF sputtering technique for four different partial nitrogen pressures in argon atmosphere. The superconducting transition temperature of the films has been measured. The films exhibit a negative temperature coefficient of resistivity. The electrical characterization of the films has been carried out and the conductivity measured between room temperature and liquid nitrogen temperature. This is fitted usingT ^P law.     

Reduction of crystallization temperature of the Aurivillius phase in Nd-doped SrBi2Ta2O9 thin films via substrate bias

Nd-doped SrBi₂Ta₂O₉ films were sputtered on Pt/Ta/SiO₂/Si substrates under various substrate biases. The radio frequency bias results in the reduction of the Aurivillius phase crystallization temperature. At 48 W, the crystallization temperature of film is lowered at a magnitude of about 80 °C. When the bias further increases, Aurivillius phase formation is suppressed due to too deficient Bi in film. The film deposited at 48 W after annealing at 670 °C shows ferroelectric characteristics. The remnant polarization of the films increases as the annealing temperature is increased.     

驱动电压对纳米结构Ni_xO_y薄膜电致变色性能的影响

采用掠射角直流反应磁控溅射法制备了膜厚约480 nm的NixOy薄膜。利用场发射扫描电子显微镜和能谱仪对NixOy薄膜的表面和断面形貌及化学组成进行了表征;利用电化学工作站和紫外分光光度计对NixOy薄膜进行了不同驱动电压下循环伏安特性、光学调制幅度、光密度变化以及致色效率的测试;通过改变扫描速度,经线性拟合后计算得到离子扩散速率;从计时电流曲线,获得薄膜致/褪色响应时间。研究表明,80°掠射角溅射沉积的NixOy薄膜表面形貌疏松多孔,断面为斜柱状结构,为离子与电子的注入/抽出提供了较大的比表面积;NixOy薄膜的电化学容量和离子扩散速率在±1.2 V驱动电压下得到了显著提高,从而使薄膜展现出优良的光调制幅度和致色效率。同时,薄膜还表现出良好的循环稳定性和快速响应的特性。     

衬底温度对磁控溅射制备外延ZnO薄膜结构特性的影响

在不同的衬底温度下,采用磁控溅射方法在蓝宝石(0001)衬底上制备了外延生长的ZnO薄膜.采用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、可见-紫外分光光度计系统研究了衬底温度对ZnO薄膜微观结构和光学特性的影响.AFM结果表明在不同村底温度制备的ZnO薄膜具有较为均匀的ZnO晶粒,且晶粒的尺寸随衬底温度的增加逐渐增大.XRD结果显示不同温度生长的ZnO薄膜均为外延生长,400℃生长的薄膜具有最好的结晶质量;光学透射谱显示在370nm附近均出现一个较陡的吸收边,表明制备的ZnO薄膜具有较高的质量,其光学能带隙随着衬底温度的增加而减小.     

磁控溅射制备镍薄膜热阻温度传感器工艺研究

利用镍薄膜的温度电阻特性以及磁控溅射镀膜技术设计并制备了薄膜热阻型温度传感器，为了达到较好的工作稳定性，设计了多层的复合膜系。文中分析了沉积薄膜的工作压力、电源功率、靶基距、退火温度、退火时间等制备工艺参数对热阻薄膜特性的影响，以及工艺参数对所沉积的镍薄膜的膜厚均匀度和温度电阻曲线，温度电阻系数等传感特性的影响。通过调整实验的工艺参数，最终得到电阻温度性能较好的镍薄膜温度传感器。测试结果表明薄膜传感器在0-250℃之间温度电阻曲线有较好的线性度和稳定性。     

ZnO缓冲层上低温生长Al掺杂的ZnO薄膜

采用射频磁控溅射法在ZnO缓冲层上制备了不同Al掺杂量的ZnO（AZO）薄膜。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和光致发光（PL）等表征技术,研究了AZO薄膜的微观结构、表面形貌和发光特性。结果表明,随着Al掺杂量的增加,ZnO薄膜的择优取向性发生了改变,且当Al的掺杂量为0.81%（原子分数）时,（002）衍射峰与其它衍射峰强度的比值达到最大,表明适合的Al掺杂使ZnO薄膜的择优取向性得到了改善。在可见光范围内薄膜的平均透过率超过70%。通过对样品光致发光（PL）谱的研究,发现所有样品出现了3个发光峰,分别对应于以444nm（2.80eV）、483nm（2.57eV）为中心的蓝光发光峰和以521nm（2.38eV）为中心较弱的绿光峰。并对样品的发光机理进行了详细的探讨。     

衬底温度对磁控溅射法制备ZnO薄膜结构及光学特性的影响

采用射频反应磁控溅射法在玻璃衬底上制备了具有c轴高择优取向的ZnO薄膜,利用X射线衍射仪、扫描探针显微镜及紫外分光光度计研究了生长温度对ZnO薄膜的结构及光学吸收和透射特性的影响.结果表明,合适的衬底温度有利于提高ZnO薄膜的结晶质量;薄膜在紫外区显示出较强的光吸收,在可见光区的平均透过率达到90%以上,且随着衬底温度的升高,薄膜的光学带隙减小、吸收边红移.采用量子限域模型对薄膜的光学带隙作了相应的理论计算,计算结果与实验值符合得较好.     

真空退火法对AZO薄膜的研究

磁控溅射法在玻璃衬底上制备了AZO(氧化锌掺铝)薄膜。对薄膜进行了真空退火。利用XRD、分光光度计以及四探针等测试装置,对AZO薄膜的晶粒度、透光率和导电性能进行了测试分析。结果表明,退火有利于薄膜结晶;退火有利于薄膜光电性能的提高。在本实验中,AZO薄膜的最高透光率可达90.617%;最低电阻率可达2.21×10-3(Ω.cm)。对比在真空中退火的ITO薄膜的光电性能参数,结果已有所超越。此结果说明,AZO薄膜有潜力成为透明导电膜ITO的替代产品。     

温度对直流反应磁控溅射制备TiO2薄膜光学性质的影响

应用DC(直流)反应磁控溅射设备在硅基底上制备TiO2薄膜,在固定的电源功率下,氩气流量为42.6sccm,氧流量为15sccm,溅射时间为30分钟的条件下,通过控制温度改变TiO2薄膜的光学性质.应用n&k Analyzer 1200测量,当温度增加时薄膜的平均反射率降低同时反射低谷向长波方向移动;温度对消光系数k影响不大;当温度低于180℃薄膜的折射率变化不大,当温度达到240℃左右时薄膜的折射率明显降低.通过XRD和SEM表征发现,随着温度的增加TiO2的晶体结构由混晶变为单一的锐钛矿相,薄膜表面的颗粒由多变少,表面形貌由粗糙多孔变得细腻平滑.     

溅射工艺及底层对SmCo薄膜磁性能的影响

用多靶射频磁控溅射系统在玻璃基片上制备了SmCo磁性薄膜。并采用控制变量法研究了溅射功率、溅射时间以及溅射气压等工艺参数对薄膜磁性能的影响。结果发现，当磁性层溅射功率为60W,溅射气压为0.5Pa，溅射时间为8min；底层溅射功率为125W，溅射气压为0．5Pa，溅射时间为4min时，薄膜的矫顽力高达2．79×10^5。底层对SmCo薄膜的磁性能也有影响，振动样品磁强计测量结果表明：相比Cr、Ti底层，以Cu作为底层所得到的SmCo薄膜磁性能更好，薄膜矫顽力分别比用Cr、Ti作底层时高出56％，40％。     

不同铝掺杂量ZnO薄膜性能的研究

以铝掺杂质量分数为1%、2%、3%的Zn/Al合金为靶材,采用直流反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了不同铝含量ZnO:Al(AZO)透明导电薄膜。研究了衬底温度对AZO薄膜电学性能的影响;同时,研究铝掺杂量不同、电阻率相同的AZO薄膜的载流子浓度与迁移率的关系。结果表明:随着Al掺杂量的增加,薄膜最佳性能(透过率90%,电阻率6×10-4Ω·cm左右)时的衬底温度值会降低;电阻率相同的样品,1%铝掺杂的薄膜迁移率和透光率均高于2%铝掺杂薄膜的。     

硅基三元系PMnN-PZT铁电薄膜制备与研究

利用磁控溅射方法在单晶Si基底上沉积三元系铁电薄膜6%PMnN-94%PZT(6%Pb(Mn1/3,Nb2/3)O3-94%Pb(Zr0.52,Ti0.48)O3),采用淬火方法对薄膜进行处理,以促进薄膜钙钛矿结构形成。同时,在相同条件下制备非掺杂PZT(52/48)薄膜以对比薄膜掺杂效果。运用X射线衍射(XRD)技术分析薄膜晶向及晶体结构,运用Sawyer Tower电路测试薄膜铁电性能,运用激光测振仪测试薄膜的压电系数。实验结果表明,所沉积薄膜为多晶钙钛矿结构铁电薄膜,薄膜铁电剩余极化Pr=23.7μC/cm2,饱和极化Ps=40μC/cm2,矫顽场电压2Ec=139kV/cm,横向压电系数e11=-13.2C/m2,薄膜的铁电及压电性能优良。     

Effect of substrate temperature and bias voltage on the crystallite orientation in RF magnetron sputtered AlN thin films

The crystal orientation and residual stress of AlN thin films were investigated using X-ray diffraction and substrate curvature method. The AlN films were deposited on Si(100) by RF magnetron sputtering in a mixed plasma of argon and nitrogen under various substrate negative bias V_s (up to − 100 V) and deposition temperature T_s up to 800 °C. The results show that lower temperature and moderate bias favor the formation of (002) plane parallel to the substrate surface. On the contrary, strong biasing beyond − 75 V and deposition temperature higher than 400 °C lead to the growth of (100) plane. At the same time nanoindentation hardness and compressive stress measured by substrate curvature method showed significant enhancement with substrate bias and temperature. The biased samples develop compressive stress while unbiased samples exhibit tensile or compressive stress depending on plasma power and temperature. The relationships between deposition conditions and crystallographic orientation of the films are discussed in terms of surface energy minimization and ion bombardment effects.