一種具有太赫茲波段可控透射率的摻鉬氧化鋅薄膜的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于透明導(dǎo)電薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種在太赫茲波段具有可控透射率的摻鉬氧化鋅薄膜的制備方法。本發(fā)明專利技術(shù)利用反應(yīng)直流磁控濺射及退火技術(shù)調(diào)控?fù)姐f氧化鋅薄膜在太赫茲波段的光學(xué)特性，具體為：利用反應(yīng)直流磁控濺射方法，以鋅鉬金屬鑲嵌靶為靶材，以石英玻璃為基板，用Ar離子轟擊靶材，形成具有多晶結(jié)構(gòu)的摻鉬氧化鋅薄膜。然后在特定條件下退火，調(diào)節(jié)摻鉬氧化鋅薄膜在太赫茲波段的透射率。本發(fā)明專利技術(shù)方法工藝穩(wěn)定性好，具有工業(yè)生產(chǎn)前景。

Method for preparing molybdenum doped Zinc Oxide film with controllable transmissivity in terahertz band

The invention belongs to the technical field of transparent conductive film, in particular to a preparation method of a Molybdenum Doped Zinc Oxide film with controllable transmissivity in the terahertz band. The optical properties, the invention uses reactive DC magnetron sputtering and annealing technology to control the Zinc Oxide Molybdenum Doped thin films in THz band in particular: by reactive DC magnetron sputtering method, with zinc and molybdenum metal mosaic as the target on quartz glass substrate by ion bombardment of the target Ar, the formation of Molybdenum Doped thin films have a polycrystalline structure of Zinc Oxide. Then, under certain conditions, the transmission of Molybdenum Doped Zinc Oxide film in terahertz band is controlled by annealing. The method has the advantages of good technological stability and promising industrial production.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種具有太赫茲波段可控透射率的摻鉬氧化鋅薄膜的制備方法
本專利技術(shù)屬于透明導(dǎo)電薄膜
，具體涉及一種用反應(yīng)直流磁控濺射法制備在太赫茲波段具有可控透射率的摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的方法。
技術(shù)介紹
透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜是一種高簡(jiǎn)并的半導(dǎo)體材料，以其獨(dú)特的透明性與導(dǎo)電性結(jié)合于一體而廣泛應(yīng)用于光電器件領(lǐng)域如平板顯示器和太陽能電池等。其中最具代表性的材料是In2O3:Sn(ITO)、SnO2:F和ZnO:Al(AZO)薄膜。透明導(dǎo)電薄膜材料一般具有高的載流子濃度，費(fèi)米能級(jí)（EF）位于導(dǎo)帶能級(jí)（EC）以上，電阻率可低至10-4Ω·cm；而且具有寬的禁帶寬度（>3eV），使薄膜在可見光及近紅外光范圍具有高的透射率（>80%）。目前的透明導(dǎo)電薄膜的載流子濃度已經(jīng)達(dá)到1.5×1021cm-3，接近上限2×1021cm-3，因此通過進(jìn)一步提高載流子濃度來降低電阻率已經(jīng)很困難，并且很高的載流子濃度會(huì)嚴(yán)重影響到透明導(dǎo)電薄膜的光學(xué)性能。高價(jià)態(tài)元素(如Mo、W等)的摻雜提供了解決這一問題的一個(gè)新的途徑，即通過提高載流子遷移率而非載流子濃度來提高透明導(dǎo)電薄膜的電導(dǎo)率。因此，制備具有高價(jià)態(tài)差的摻鉬氧化鋅ZnO：Mo(ZMO)透明導(dǎo)電薄膜具有很大應(yīng)用價(jià)值。太赫茲波是介于微波和紅外輻射之間的電磁輻射，近年來，得益于超快光電子技術(shù)和低維半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，為太赫茲波段提供了合適的光源和探測(cè)手段，太赫茲科學(xué)與技術(shù)才得到迅猛發(fā)展，可應(yīng)用于成像、近場(chǎng)顯微、無損探傷、安全檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。與可見、紅外光類似，太赫茲波的應(yīng)用也需要合適的光學(xué)器件，如增透膜、反射鏡、分光鏡等，這要求開發(fā)可用于太赫茲波段的新型光學(xué)材料。金屬具有很高的電導(dǎo)率，電磁波在其表面幾乎完全反射，可制作反射鏡。此外金屬還可用于波導(dǎo)，由于脈沖太赫茲波包含了寬頻率范圍的電磁波，因此要選取群速度色散小的波導(dǎo)。K.Wang報(bào)道金屬線波導(dǎo)[1]，利用金屬表面等離子體振蕩相互耦合作用，太赫茲波被金屬線束縛沿該金屬線傳播，在此情況下電磁波與金屬表面的作用面積極小，因此大大降低了傳輸損耗。超薄的金屬薄膜還可用于寬帶太赫茲波的阻抗匹配層以減小器件表面的反射太赫茲波[2-3]。用不同電導(dǎo)率的摻雜氧化鋅導(dǎo)電膜替代金屬膜，可制備寬帶太赫茲波的阻抗匹配層，同樣達(dá)到了理想的效果[4-5]。摻雜氧化鋅薄膜隨著載流子濃度的增加，其界面反射太赫茲波發(fā)生π相位位移，當(dāng)載流子濃度在一個(gè)特定值時(shí)，反射波會(huì)完全消失，可用于太赫茲器件的防反膜。這和在超薄金屬膜中觀測(cè)到的結(jié)果類似，值得注意的是，在金屬膜中可調(diào)節(jié)的參數(shù)只有厚度，而氧化物薄膜中可調(diào)節(jié)的參數(shù)除了厚度[6]外還有載流子濃度(電導(dǎo)率)，這說明用導(dǎo)電半導(dǎo)體氧化物薄膜不僅可代替金屬膜，而且可以比金屬膜在太赫茲波調(diào)控上更具優(yōu)勢(shì)。除了上述阻抗匹配的寬帶減反膜外，還需要一些具有特定透射性能的器件。在此我們提供一種不同于控制載流子濃度[4-5]或膜層厚度[6]的新方法，在由鋅鉬鑲嵌靶[7]反應(yīng)直流磁控濺射制備摻鉬氧化鋅薄膜后再采用退火工藝改變太赫茲波段的透射性能，實(shí)現(xiàn)在太赫茲波段具有可控透射率的光學(xué)器件要求。參考文獻(xiàn)：[1]KWang,MMittleman,Nature,2004,432:376[2]JKroll,JDarmo,andKUnterrainer2007Opt.Express156552[3]AThoman,AKern,HHelm,andMWalther2008Phys.Rev.B77195405[4]GuohongMa,DongLi,HongMa,JieShen,ChenguoWu,JinGe,ShuhongHu,NingDai,“CarrierconcentrationdependenceofterahertztransmissiononconductingZnOfilms”,Appl.Phys.Lett.2008,93:211101[5]吳臣國(guó)，沈杰，李棟，馬國(guó)宏，“摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的太赫茲電磁波傳輸性質(zhì)”，《物理學(xué)報(bào)》，2009，58(12)：8623[6]羅勝耘，沈杰，馬國(guó)宏，李棟，“膜厚對(duì)導(dǎo)電氧化鋅寬帶抗反射涂層的太赫茲傳輸影響”《真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)》，32(8)，2012：717-721[7]沈杰，王三坡，章壯健，“一種用于反應(yīng)直流磁控濺射的鋅鉬金屬鑲嵌靶”，CN200720075387.2.。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提出一種具有工業(yè)生產(chǎn)性、工藝穩(wěn)定性好的制備在太赫茲波段具有可控透射率的摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的方法。本專利技術(shù)提出的制備摻鉬氧化鋅薄膜的方法，具體步驟為：（1）在基板溫度為20~300℃條件下，以鋅鉬金屬鑲嵌靶(CN200720075387.2)為靶材，以石英玻璃為基板，通過反應(yīng)直流磁控濺射法，用Ar離子轟擊靶材進(jìn)行濺射，濺射電流150~300mA，濺射電壓100~400V，反應(yīng)室內(nèi)的氣體為氧氬混合氣體，濺射時(shí)壓強(qiáng)為0.45~2.5Pa，其中O2反應(yīng)氣體的分壓百分含量為4.0～20.0％，濺射時(shí)間40~100分鐘，形成具有多晶結(jié)構(gòu)的摻鉬氧化鋅薄膜；（2）然后，在特定氣氛(大氣或氬氣或氮?dú)饣蛘婵?條件下退火，退火時(shí)間為15~240min，退火溫度為100~600℃，得到在太赫茲波段具有可控透射率的摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。本專利技術(shù)的制備條件如下：本專利技術(shù)中，基板溫度為20~300℃。本專利技術(shù)的濺射靶為鋅鉬鑲嵌靶，具體見中國(guó)專利CN200720075387.2。鋅鉬鑲嵌靶中，Mo:Zn的原子比為0.5%~5%。本專利技術(shù)中，反應(yīng)室內(nèi)的氣體為氧氬混合氣體，濺射時(shí)壓強(qiáng)為0.45~2.5Pa，其中O2反應(yīng)氣體的分壓占總氣壓的4.0～20.0％。本專利技術(shù)中，反應(yīng)直流磁控濺射時(shí)，濺射電流150~300mA，濺射電壓100~400V，濺射時(shí)間40~100分鐘。本專利技術(shù)方法制得的摻鉬氧化鋅薄膜厚度為100~250nm，可根據(jù)需要，通過控制濺射時(shí)間來控制膜厚。本專利技術(shù)中，退火氣氛為大氣或氬氣或氮?dú)饣蛘婵?，其中真空退火時(shí)氣壓為10-2~10Pa，其他均為1個(gè)大氣壓。本專利技術(shù)中，退火溫度為100~600℃，退火時(shí)間為15~240min。優(yōu)選退火溫度為400~500℃，退火時(shí)間為60~240min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用反應(yīng)直流磁控濺射的方法制備的摻鉬氧化鋅薄膜具有低電阻率（1.2×10-3Ω·cm）和高可見光透射率（>80%），在退火處理后具有可控的太赫茲波段透射率。本專利技術(shù)方法工藝穩(wěn)定性好，具有工業(yè)生產(chǎn)前景，是一種制備在太赫茲波段具有可控透射率的摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的新方法。附圖說明圖1未退火的摻鉬氧化鋅薄膜的電阻率。其中，(a)在不同的基片溫度下制備的薄膜電阻率。(b)在不同氧分壓下制備的薄膜電阻率。圖2退火時(shí)間為60min時(shí)大氣下不同退火溫度對(duì)摻鉬氧化鋅薄膜的太赫茲脈沖透射及薄膜方阻的影響。其中，(a)太赫茲脈沖透射場(chǎng)強(qiáng)；(b)薄膜方阻。圖3退火溫度為250℃時(shí)大氣下不同退火時(shí)間對(duì)摻鉬氧化鋅薄膜的太赫茲脈沖透射的影響。具體實(shí)施方式實(shí)施例1，制備摻鉬氧化鋅靶：在450℃的溫度下將純度為99.99%的Zn金屬熔融成靶，均勻?qū)ΨQ地嵌入同樣純度為99.99%的鎢絲2at%制備而成，靶直徑為60mm，厚度為3mm。基片為石英，先后經(jīng)過純水、酒本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種具有太赫茲波段可控透射率的摻鉬氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，具體步驟為：（1）在基板溫度為20~300℃條件下，以鋅鉬金屬鑲嵌靶為靶材，以石英玻璃為基板，通過反應(yīng)直流磁控濺射法，用Ar離子轟擊靶材進(jìn)行濺射，濺射電流150~300mA，濺射電壓100~400V，反應(yīng)室內(nèi)的氣體為氧氬混合氣體，濺射時(shí)壓強(qiáng)為0.45~2.5Pa，其中O

【技術(shù)特征摘要】
1.一種具有太赫茲波段可控透射率的摻鉬氧化鋅薄膜的制備方法，其特征在于，具體步驟為：（1）在基板溫度為20~300℃條件下，以鋅鉬金屬鑲嵌靶為靶材，以石英玻璃為基板，通過反應(yīng)直流磁控濺射法，用Ar離子轟擊靶材進(jìn)行濺射，濺射電流150~300mA，濺射電壓100~400V，反應(yīng)室內(nèi)的氣體為氧氬混合氣體，濺射時(shí)壓強(qiáng)為0.45~2.5Pa，其中O2反應(yīng)氣體的分壓百分含量為4.0～20.0％，濺射時(shí)間40~100分鐘，形成具有多晶結(jié)構(gòu)的摻鉬氧化鋅薄膜；（2）然后，在大氣或氬氣...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：沈杰，鄭明揚(yáng)，任錦華，靳琦，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：復(fù)旦大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海,31