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氧化铟薄膜制备及其特性研究原子健;朱夏明;王雄;张莹莹;万正芬;邱东江;吴惠桢;杜滨阳【摘要】采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备氧化铟薄膜,通过测试原子力显微镜、X射线衍射、X射线光电子谱、紫外可见分光光度计以及霍尔效应,研究了氧化铟薄膜的结构和光、电特性.实验发现,氧化铟薄膜表面粗糙度随着生长温度的升高而增大.X射线衍射结果表明薄膜为立方结构的多晶体,并且随着生长温度的升高,可以看到氧化铟薄膜的晶粒变大以及半高宽减小,这也说明结晶质量的改善.在可见光范围的透射率超过90%.同时,在氩气氛围下制备的薄膜迁移率最大,其电阻率、霍尔迁移率和电子浓度分别达到了0.31Ω·cm、9.69cm~3/(V·s)和1×10~(18)cm~(-3).退火处理可以改善氩氧氛围下制备的薄膜的电学性能.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2010(025)002【总页数】4页(P141-144)【关键词】氧化铟;射频磁控溅射;表面形貌;X射线衍射;电学特性【作者】原子健;朱夏明;王雄;张莹莹;万正芬;邱东江;吴惠桢;杜滨阳【作者单位】浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,高分子系,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TQ174Abstract:In2O3thin films were prepared on glass substrates by radio frequency(RF)magnetron sputtering.The structural,electrical and optical characteristics of In2O3films were investigated by atomic force microscope(AF M),X-ray diffraction(XRD),X-ray photoelectron spectroscope,UV-Visible spectrophotometer and Hall effect measurements.It is found that the surface roughness of In2O3thin film increases with growth temperature increasing.The X-raydiffraction(XRD)studies show that the films are polycrystalline and retain a cubic structure.As the growth temperature rises,the grain size of In2O3thin film increases and the FWHM decreases,namely,the crystalline quality of the films is improved.The optical trans mittance of the thin films exceeds 90%.The film grown in Ar atmosphere shows highest mobility with resistivity of 0.31Ω·cm,mobility of 9.69cm2/(V·s),and electron concentration of about 1×1018cm-3.And the annealing can improve the electrical properties of the film grown in the Ar+O2atmosphere.Key words:In2O3;RF magnetron sputtering;surfacemorphology;XRD;electrical properties随着薄膜生长和微结构制备技术的发展,薄膜晶体管(TFT)的应用越来越广泛,已成为多种电子、光电子产品不可缺少的组成部分,比如电脑,太阳能电池,显示器,灵敏元件等等.传统的无机TFT具有良好的性能,但是需要高温生长,常见的非晶硅(α-Si)TFT 生长温度虽然较低(75～150℃),但是非晶硅材料的带隙仅为1.7eV,对可见光是不透明的,用于显示器时会降低显示屏的开口率、增加功耗.同时有机TFT也因其较低的迁移率和稳定性问题受到限制[1-5].氧化铟是一种宽禁带的N型半导体材料,其室温下直接禁带宽度约为3.65eV,在可见光范围的透明度超过90%,并且单晶氧化铟有着很高的迁移率(160cm2/(V·s)),这些特性使得氧化铟很有希望成为下一代薄膜晶体管的有源材料,关于氧化铟薄膜材料的研究国际上已有一些报道,但是国内较少.其制备方法有:磁控溅射法[6-8]、溶胶-凝胶法[9]、反应蒸发法[10-11]等,其中磁控溅射由于其成本低、沉积速率高、沉积温度低、薄膜的粘附性好等特性得到了人们的关注.本实验采用射频磁控溅射法制备氧化铟薄膜,并研究探讨了氧化铟薄膜的微结构和光、电特性.实验用射频磁控溅射法制备氧化铟薄膜,所用靶源是高纯In2O3陶瓷靶,名义纯度为99.99%,其溅射气体采用氩气和氧气,气体纯度均超过99.999%,衬底为普通载玻片.玻璃衬底的清洗步骤是:去离子水超声波清洗三次,然后在Na2CO3溶液中80℃水浴15min,最后在浓度3%～5%的醋酸溶液中浸泡30s(每一步后均用去离子水反复冲洗),用高纯氮气吹干后放入磁控溅射设备.实验中所使用的高真空射频磁控溅射设备,通过涡轮分子泵对腔室抽气,背景真空度好于6×10-5Pa;通过复合真空计测量真空度.溅射气体通过质量流量计控制其流量.生长中以生长温度、沉积速率、气体流量、生长气压、射频功率等作为参数.实验中通过湿法腐蚀法腐蚀掉一部分薄膜,然后用台阶仪测量薄膜厚度.采用日本精工公司生产的型号为SPI3800N的原子力显微镜观察样品表面形貌,模式是轻敲模式.采用多功能超高真空VY-SPM测试样品的X射线光电子能谱(XPS).采用D/maxr A转靶多晶X射线衍射仪对样品进行晶体结构分析(XRD),射线为CuKα1线,λ=0.15406nm.采用日本岛津公司生产的UV-3150型紫外可见分光光度仪测试薄膜的透射谱.采用美国B I O-RAD公司生产的HL5500霍尔效应测量系统测量薄膜电阻率、迁移率以及电子浓度.为了了解生长温度对薄膜表面形貌的影响,首先用氩气作为溅射气体,在不同的沉积温度下生长了4个样品(1#～4#),其生长参数如表1所示,其中RT表示室温,生长气压均为1.3Pa.图1是样品1#和4#的AFM三维形貌图.测得的均方根粗糙度(Rq)由表1给出.可以看到,室温下生长的样品粗糙度最小(1.3nm),随着生长温度的升高,氧化铟薄膜的表面均方根粗糙度增大.而当生长温度达到338℃时,其粗糙度增大到了12.2nm,这可能是因为高温下生长再蒸发现象加剧,并且氧化铟可能发生分解,使得薄膜组分的化学配比发生改变,从而导致薄膜表面粗糙度的显著加大.上述结果说明低温下可以生长表面较为平整的薄膜.图2为样品1#氧化铟薄膜的XPS全谱,其中插图是放大的In3d峰,它包含In3d3/2和In3d5/2两个峰.样品是在室温下氩气溅射生长的In2O3薄膜,生长气压和功率分别为1.3Pa和100W.图中没有发现溅射气体元素的存在,说明氩气不容易进入In2O3薄膜.同时也没有看到诸如Si、K和Mg等来自玻璃基底的其他杂质元素的存在,因为在室温下生长时玻璃衬底中杂质向薄膜的扩散是很小的,而C元素可能是来自于XPS测量腔体内.从图中可以得到In3d结合能:In3d3/2是452.0eV,In3d5/2是444.6eV;O1s结合能为530.0eV,这同文献[12] 中的结果很接近.XPS结果表明射频磁控溅射得到了高纯的氧化铟薄膜材料.为了比较不同生长温度对薄膜的晶体结构的影响,测试了表1中样品1#～4#的XRD图谱,如图3所示.对照标准XRD谱可知制得的均为立方结构的多晶氧化铟薄膜,其主要的衍射峰包括(211)、(222)、(400)、(440)以及(622),位于2θ=23°附近的宽衍射峰则是由玻璃衬底引起的.图中没有看到择优取向的晶面.随着生长温度的升高,(211)以及(622)晶面逐渐增强,而(400)晶面则变弱甚至消失.表2中列出了(222)晶面对应的XRD参数,其中FWHM是衍射峰的半高宽,晶粒尺寸由谢乐公式计算得到.表2中,对于不同温度下沉积的样品,(222)晶面的衍射峰分别位于2θ=30.07°、30.33°、30.36°以及30.39°处,可见随着温度的升高,其峰位有向衍射角增大的方向移动的趋势.根据布拉格衍射理论,衍射角的增大说明晶体的晶格常数变小,导致薄膜结构更为致密.这一结论由光刻、湿法腐蚀实验所证实,发现高温下生长的In2O3薄膜更难被酸溶液所腐蚀.1#和2#的晶粒尺寸和半高宽没有明显的变化,随着生长温度的进一步升高,晶粒尺寸逐渐变大,而衍射峰的半高宽逐渐变窄,说明薄膜中可能存在的缺陷以及空位密度在减少,晶体结构得到改善.上述实验现象表明,较高温度下生长的氧化铟薄膜结晶质量较好.为研究薄膜的光学特性,采用蓝宝石晶体作衬底,在室温下用氩气溅射生长了In2O3薄膜,溅射功率和气压分别为100W和1.8Pa,并测试了薄膜的透射谱.图4所示为氧化铟薄膜的透射光谱,可以看到薄膜在可见光区的平均透射率都超过了90%,其在紫外区域的吸收明显加强,陡峭光学吸收边说明In2O3薄膜具有较高的光学质量.为得到薄膜的禁带宽度,根据方程(1)和(2)进行数值拟合[8]:其中,A和A′均为常数,α是吸收系数,d为薄膜的厚度,E为入射光子能量.这里薄膜的厚度为408nm,并利用在吸收边A≈1[8],作出(αE)2与E的关系曲线(图4插图所示),并将其线性部分外推到横轴上的截距,由此得到该样品的禁带宽度约为3.68eV,这同文献[10] 中报道的数值吻合.实验测量了在不同衬底温度、相同Ar溅射气体气压和相同溅射功率条件下沉积的In2O3薄膜的电学特性,结果表明随着衬底温度的升高,In2O3薄膜的载流子(电子)浓度增大,迁移率降低,当沉积温度为338℃时,载流子浓度达到2.6×1020cm-3,迁移率降低到6.8cm2/(V·s).显然,过高的载流子浓度对In2O3薄膜用于TFT器件的沟道层材料是不利的,为此尝试在溅射气体中加入少量O2达到降低In2O3薄膜载流子浓度的目的.文献[11] 曾报道未掺杂的氧化铟薄膜的电学特性会受到氧空位的影响,这里氧空位体现的是施主的性质.因此在生长过程中,适当的调节氩气和氧气的分压有可能使薄膜显示出绝缘体、半导体甚至导电体(透明导电薄膜)的不同特性.氩气溅射生长的薄膜存在一定浓度的氧空位,其电子浓度较高,电阻率较低.而纯氧气溅射的In2O3薄膜测量的电阻率接近无穷大,薄膜显示绝缘体的特性,这是由于氧离子对薄膜中氧空位的补偿作用,使得氧空位减少,电子浓度降低,相应的电阻率增大.实验采用(Ar+O2)的混合气体溅射制备了样品6#,氩、氧气体的流量比10∶1.样品5#和6#的其它沉积参数相同,衬底温度均为室温,溅射功率100W,测得的电学参数如表3所示.样品6#的电阻率超过103Ω·cm,其电子浓度只有～1015数量级,但是电子迁移率不高.对样品6#进行了退火处理,退火温度300℃,退火时间1h,退火后薄膜的电阻率大大降低,电子浓度增大到～1017cm-3,但是迁移率并无明显变化.可见由纯氩气溅射生长的In2O3薄膜具有更高的电子迁移率.采用射频磁控溅射法,在玻璃基底上沉积了氧化铟薄膜.薄膜具有立方多晶结构,较低温度下生长的薄膜表面更加平整,晶粒大小受生长温度的影响,较高的生长温度可获得较大的晶粒尺寸.所制备的薄膜在可见光范围的透光率平均都超过了90%.氩气溅射下生长的薄膜迁移率更高,且电子浓度达到～1018cm-3,而对氩气+氧气氛围下生长的薄膜,电子浓度减小了3个数量级,迁移率降低,经过300℃退火处理后,电子浓度提高(～1017cm-3),但是电子迁移率并没有大的改进.【相关文献】[1] Vygranenko Y,Wang K,Nathan A,et al.Stable indium oxide thinfilm transistors with fast 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二氧化钒粉体的制备及其应用研究引言：二氧化钒（Vanadium dioxide，VO2）是一种具有特殊性质的过渡金属氧化物，其在温度为68°C时发生金属-绝缘体相变。
这种相变特性使得二氧化钒在纳米材料、光电器件、智能窗户等领域具有广泛的应用前景。
本文将重点探讨二氧化钒粉体的制备方法以及其在各个领域中的应用研究。
一、二氧化钒粉体的制备方法1. 水热法制备二氧化钒粉体水热法是一种常用的制备纳米材料的方法。
通过将钒酸铵溶液与适量的还原剂（如乙醇）混合，然后在高温高压条件下反应一定时间，可以得到纳米级的二氧化钒粉体。
水热法制备的二氧化钒粉体具有较高的纯度和均一的颗粒尺寸分布。
2. 溶胶-凝胶法制备二氧化钒粉体溶胶-凝胶法是一种化学合成方法，通过溶胶的形成和凝胶的制备过程，最终得到纳米级的二氧化钒粉体。
这种方法可以控制粒径大小和形貌，通过调节反应条件和添加不同的表面活性剂，可以得到不同形态的二氧化钒粉体。
3. 气相沉积法制备二氧化钒粉体气相沉积法是一种通过气相反应得到纳米材料的方法。
通过将钒源物质（如钒酸铵）蒸发，与氧气或其他气体反应，生成二氧化钒颗粒，并沉积在基底上。
气相沉积法制备的二氧化钒粉体具有较高的纯度和均匀性，适用于大规模生产。
二、二氧化钒粉体的应用研究1. 纳米材料领域中的应用由于二氧化钒具有金属-绝缘体相变的特性，可以用于制备智能材料。
通过控制二氧化钒粉体的尺寸和形貌，可以制备具有特殊性能的纳米材料，例如纳米传感器、纳米电极等，广泛应用于电子器件、能源存储等领域。
2. 光电器件领域中的应用二氧化钒在光电器件中具有很高的应用潜力。
由于其光学性质的改变，可以制备光控开关、光电传感器等器件。
二氧化钒粉体可以通过溶胶-凝胶法或气相沉积法制备成薄膜形式，用于制备智能窗户、光电转换器等光电器件。
3. 能源领域中的应用二氧化钒作为一种优秀的电极材料，可以用于制备储能器件。
通过将二氧化钒粉体与导电剂混合，制备成电极材料，可以用于超级电容器、锂离子电池等能源存储装置。
矿产综合利用Multipurpose Utilization of Mineral Resources第2期2021年4月·119·二氧化钒的制备工艺现状张帅，李慧，梁精龙(华北理工大学 冶金与能源学院 现代冶金技术教育部重点实验室,河北 唐山 (063210)摘要：概述了二氧化钒的基本特性及应用状况，介绍了二氧化钒的制备工艺，包括溶胶-凝胶法、水热法、磁控溅射法和化学气相沉积法研究现状及优缺点。
并对未来如何更加合理的制备二氧化钒给出了自己的见解。
关键词：二氧化钒；溶胶-凝胶法；水热法；磁控溅射法；化学气相沉积法doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2021.02.020中图分类号：TD952 文献标志码：A 文章编号：1000-6532（2021）02-0119-06收稿日期：2019-08-29；改回日期：2019-09-25基金项目：国家自然科学基金项目（51874141）资助作者简介：张帅 (1994-)，男，硕士研究生，主要研究方向为物理化学。
通信作者：李慧(1981-)，女，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为资源综合利用与原料优化及金属材料制备。
E-mail ：121775262@二氧化钒是一种深蓝色正方金结构的金属氧化物，熔点为1545 ℃。
易溶于酸和碱，不溶于水。
十九世纪三十年代，瑞典人N.G.Sefstrom 首次将金属钒从铁矿渣中提取出来[1]，1959年，科学家F ．J ．Mofin 发现V 2O 3，VO ，VO 2等不同价态的钒的氧化物具有良好的半导体-金属的相变特性[2]，其中VO 2从半导体相到金属相转变的临界温度较低，当温度为68℃以下时，二氧化钒具有半导体的性质，当温度为68℃以上时，二氧化钒具有金属的性质，基于其独特的优势[3-4]，二氧化钒被广泛应用于红外探测器[5]、光开关[6]、智能窗[7]及热敏电阻[8]等多个领域。
氧化硅薄膜简介氧化硅薄膜是一种常见的薄膜材料，具有较高的绝缘性能和化学稳定性，广泛应用于电子器件、光学器件、微纳加工等领域。
本文将从氧化硅薄膜的制备方法、表征手段以及应用方向等方面进行介绍。
制备方法氧化硅薄膜的制备方法多种多样，下面简要介绍几种常见的方法：1.热氧化法：将硅基底样品放入高温炉中，通过热氧化反应在硅基底上生长氧化硅薄膜。
这种方法简单易操作，常用于实验室制备薄膜。
2.微电子工艺法：利用微电子工艺中的物理沉积或化学气相沉积技术，在硅基底上制备氧化硅薄膜。
这种方法制备的薄膜具有优良的质量和较高的均匀性，适用于大规模工业生产。
3.溶胶-凝胶法：通过将硅源和溶剂等原料混合制备成溶胶，然后通过热处理使其发生凝胶和热解反应，最终形成氧化硅薄膜。
这种方法制备的薄膜具有较高的纯度和良好的光学性能。
表征手段为了评估氧化硅薄膜的性能和质量，科研人员通常采用以下几种主要的表征手段：1.扫描电子显微镜(SEM)：通过扫描电子束扫描样品表面，利用扫描电子显微镜观察薄膜的形貌和表面形态。
能够揭示薄膜的纹理、孔隙度、致密度等特征。
2.X射线衍射(XRD)：利用X射线的入射和衍射来确定薄膜的结晶性质和晶体结构。
通过XRD分析可以获得薄膜的晶格常数和晶体相的信息。
3.透射电子显微镜(TEM)：通过透射电子束穿过薄膜，观察薄膜的内部结构。
可以观察到薄膜的晶粒尺寸、晶界、缺陷等信息。
应用方向氧化硅薄膜在多个领域有着广泛的应用，以下是几个常见的应用方向：1.电子器件制备：氧化硅薄膜作为一种优良的绝缘材料，常用于半导体器件中的绝缘层。
例如，MOSFET器件中常用氧化硅作为栅介质层。
2.光学器件制备：氧化硅薄膜具有良好的光学透明性和光学稳定性，常用于光学薄膜的制备。
例如，用于太阳能电池、液晶显示器等器件中。
3.微纳加工：利用氧化硅薄膜的物理和化学性质，可以进行微纳加工。
例如，通过光刻和湿法刻蚀技术，可以在氧化硅薄膜上制备微细结构。
