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摘要 (1)
Abstract ....................................................................................................................... III 第1章绪论 (1)
1.1 课题研究背景 (1)
1.2 可供选择的红外透明导电薄膜体系 (2)
1.2.1 金属薄膜 (2)
1.2.2 金属网栅 (3)
1.2.3 超结构薄膜 (5)
1.2.4 以氧化物为代表的n、p型透明导电薄膜 (7)
1.2.5 新型透明碳材料薄膜 (9)
1.3 红外透明导电氧化物的实现方法 (11)
1.3.1 以扩展透过范围为目的来实现红外透明导电功能 (11)
1.3.2 以提高红外透明薄膜导电性为目的来实现红外透明导电功能 (16)
1.4 本文主要研究内容 (18)
第2章材料制备及实验方法 (20)
2.1 实验设计 (20)
2.2 薄膜的制备 (20)
2.2.1 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的制备材料及工艺过程 (20)
2.2.2 钌掺杂氧化钇薄膜的制备工艺 (23)
2.3 制备薄膜样品的表征 (25)
2.3.1 厚度表征 (25)
2.3.2 结构表征 (25)
2.3.3 成分及化学键合表征 (26)
2.3.4 电学性能表征 (27)
2.3.5 光学性能表征 (28)
2.3.6 力学性能表征 (28)
第3章等离子体轰击辅助制备氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的结构和光电性能.. 29
3.1 引言 (29)
3.2 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的生长速率 (29)
3.3 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的微结构 (30)
3.3.1 表面形貌 (30)
3.3.2 晶体结构 (34)
3.4 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的成分及化学键合态 (39)
3.4.1 成分表征 (39)
3.4.2 元素化学键合态 (40)
3.5 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜的光电性能 (47)
3.5.1 电学性能变化 (47)
3.5.2 光学性能变化 (49)
3.6 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜显微硬度 (52)
3.7 氧化铟和锡掺杂氧化铟薄膜表面能态 (53)
3.8 本章小结 (58)
第4章磁控共溅射制备N型钌掺杂氧化钇薄膜的结构和性能研究 (60)
4.1 引言 (60)
4.2 钌掺杂氧化钇薄膜沉积速率 (60)
4.2.1 功率大小对钌掺杂氧化钇薄膜沉积速率的影响 (60)
4.2.2 衬底温度对钌掺杂氧化钇薄膜沉积速率的影响 (61)
4.3 钌掺杂氧化钇薄膜的表面形貌 (61)
4.4 钌掺杂氧化钇薄膜的晶体结构 (64)
4.5 钌掺杂氧化钇薄膜成分及化学键合态 (65)
4.5.1 成分表征 (65)
4.5.2 元素化学键合态 (67)
4.6 电学和光学性能 (73)
4.6.1 电学性能 (73)
4.6.2 光学性能 (74)
4.7 本章小结 (76)
第5章红外透明导电机理分析及应用 (77)
5.1 引言 (77)
5.2 红外透明导电机理分析 (77)
5.3 硫化锌窗口镀制中、远红外透明导电氧化物薄膜 (79)
5.3.1 镀制中红外透明导电氧化物 (79)
5.3.2 镀制远红外透明导电氧化物薄膜 (80)
5.3.3 提高膜层与硫化锌基底镀膜的结合性和光学性能 (81)
5.4 二氧化硅镜头防热辐射保护膜 (87)
5.4.1 实验步骤 (87)
目录
5.4.2 实验结果 (87)
5.5 具有电磁屏蔽效果座舱盖的膜系 (87)
5.5.1 实验步骤 (88)
5.5.2 膜层综合性能检测 (90)
5.6 本章小结 (94)
结论 (96)
参考文献 (98)
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 (109)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (110)
致谢 (111)
个人简历 (112)
Contents
Abstract (In Chinese) .................................................................................................... I Abstract (In English) .................................................................................................. III Chapter 1 Introduction . (1)
1.1 Research Background (1)
1.2 The available infrared trnasparent conductive thin film system (2)
1.2.1 Metal films (2)
1.2.2 Metal meshs (3)
1.2.3 Photonic crystalline films (5)
1.2.4 n-/p-type oxide films (7)
1.2.5 New transparent carbon film (9)
1.3 Realization of infrared transparent conductive film (11)
1.3.1 The realization of infrared transparent conductive film by extending
transmittance range (11)
1.3.2 The realization of infrared transparent conductive film by increasing
conductive properties of infrared transparent conductive film (16)
1.4 The main contents (18)
Chapter 2 Film preparation and experimental techniques (20)
2.1 Design of experiment (20)
2.2 Preparation of films (20)
2.2.1 Raw materials and deposition process of In2O3 and In2O3:Sn films (20)
2.2.2 Raw materials and deposition process of Y2O3:Ru films (23)
2.3 Characterization of films (25)
2.3.1 Film thickness (25)
2.3.2 Film structure (25)
2.3.3 Composition and chemical bonding (26)
2.3.4 Electrical properties (27)
2.3.5 Optical properties (28)
2.3.6 Mechanical properties (28)
Chapter 3 Microsructure and opt-electron properties of In2O3 and In2O3:Sn films prepared by magnetron sputtering using plasma exposure (29)
3.1 Introduction (29)
3.2 Growth rate of In2O3 and In2O3:Sn films (29)
3.3 Structure of In2O3 and In2O3:Sn films (30)
3.3.1 Surface roughness of In2O3 and In2O3:Sn films (30)
Contents
3.3.2 Crystal structure of In2O3 and In2O3:Sn films (34)
3.4 Composition and chemical bonding of In2O3 and In2O3:Sn films (39)
3.4.1 Compositionof In2O3 and In2O3:Sn films (39)
3.4.2 Chemical bondingsof In2O3 and In2O3:Sn films (40)
3.5 Optical and conductive properties of In2O3 and In2O3:Sn films (47)
3.5.1 Electrical propertiesof In2O3 and In2O3:Sn films (47)
3.5.2 Optical propertiesof In2O3 and In2O3:Sn films (49)
3.6 Microhardness of In2O3 and In2O3:Sn films (52)
3.7 Surface energy state of In2O3 and In2O3:Sn films (53)
3.8 Summary (58)
Chapter 4 Microstrcture and propeties of n-typed Y2O3:Ru films
by magnetron co-sputtering (60)
4.1 Introduction (60)
4.2 Depositon rate of Y2O3:Ru films (60)
4.2.1 The influence of power on the depostion rate (60)
4.2.2 The influence of substrate temperature (61)
4.3 Morphology of Y2O3:Ru films (61)
4.4 Crystalline structure of Y2O3:Ru films (64)
4.5 Composition and chemical bonds of Y2O3:Ru films (65)
4.5.1 Composition (65)
4.5.2 Chemical bonds (67)
4.6 Electrical and optical of Y2O3:Ru films (73)
4.6.1 Electrical properties (73)
4.6.2 Optcial properties (74)
4.7 Summary (76)
Chapter 5 Mechanism and application of the infrared transparent
and conduction (77)
5.1 Introduction (77)
5.2 Mechanism analysis of infrared transaprent conductive films (77)
5.3 Mid and far infrared transapent conductive films on ZnS windows (79)
5.3.1 Preparation of mid infrared transparent conductive films (79)
5.3.2 Preparation of far infrared transparent conductive films (80)
5.3.3 Incresing the combination and optical properties
between film and ZnS substrate (81)
5.4 Anti-irradiation films on SiO2 mirror (87)
5.4.1 Experimental steps (87)
5.4.2 Experimental results (87)
5.5 Electromagnetic shielding films system on canopy (87)
5.5.1 Experimental steps (88)
5.5.2 Evaluationg the properties (90)
5.6 Summary (94)
Conclusions (96)
References (98)
Papers published in the period of Ph.D. education (109)
Statement of copyright and Letter of authorization (110)
Acknowledgements (111)
Resume (112)
第1章绪论
1.1 课题研究背景
在光电系统的发展过程中，透明导电材料（Transparent Conducting Materials，TCM）作为光电窗口除霜/除雾的加热器材料，降低雷达散射截面积的屏蔽器材料已经成为航空航天光电系统不可或缺的重要组成部分[1-4]。为了降低航空航天飞行器重量，各部件功能一体化的趋势对光电探测系统也提出越来越高的要求。不仅要求高集成度多光谱光电探测系统能够实现宽波段的高效透过，而且要求窗口具有较低的面电阻（即较高的载流子浓度和迁移率）实现屏蔽电磁波达到隐身效果[5]。然而，理想的红外光电系统均是依靠前置大孔径窗口来探测红外信号，电磁辐射能够轻易穿过窗口使灵敏的红外探测器受到电磁干扰[6-8]；其次，根据德鲁德自由电子理论（Drude’s free-electron theory）[9, 10]，红外波段光子与自由电子振动频率相当发生碰撞散射，造成明显吸收。由此可见，宽波段多光谱高透过，尤其是红外波段高透过与电磁屏蔽隐身性能要求难以协调。
目前，传统上制备红外透明导电膜的方法主要有两种：一种为在窗口外表面制备金属薄膜或金属网栅薄膜[11, 12]；另一种为制备掺杂n型或p型氧化物半导体薄膜[13, 14]。每种方法都有他们的优缺点。对于金属薄膜或金属网栅来说，其优点是金属的导电性能很好，但是其质地较软且易受到雨蚀和沙蚀的损坏。与此同时，金属材料优异的导电性意味着高载流子浓度和低迁移率，这也是引起材料在需求波段呈现高反射和高吸收的现象。
相比之下，对n、p型掺杂氧化物半导体薄膜而言，其优点是热膨胀系数与基底材料接近而且物理化学性质较纯金属材料稳定[15, 16]，但需要对基底进行加热才能获得优异的光电性能，因此难以满足热敏感基底的需要。
针对上述在红外透明导电薄膜研究中存在的不足，本文首先利用等离子轰击辅助磁控溅射在室温下制备具有择优取向的中红外透明导电晶态氧化铟（In2O3）和锡掺杂氧化铟（In2O3:Sn）薄膜进行研究，得出负偏压与材料结构、光电性能的关系。随后，利用元素掺杂原理，采用双靶磁控共溅射方法制备出不同基底温度、不同钌掺杂含量的n型钌掺杂氧化钇薄膜，获得远红外透明导电的氧化物薄膜。最后，采用载流子浓度与等离子频率的关系对氧化铟（In2O3）和锡掺杂氧化铟（In2O3:Sn）进行耦合，并优化沉积Y2O3:Ru薄膜于红外透明ZnS基底与其他的远红外透明导电材料进行比较。