濺射氧化鈦薄膜的光學(xué)性能及熱處理對其結(jié)構(gòu)的影響

蔣甜甜，黃美東，杜 姍

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

濺射氧化鈦薄膜的光學(xué)性能及熱處理對其結(jié)構(gòu)的影響

蔣甜甜，黃美東，杜 姍

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

常溫下采用反應(yīng)磁控濺射法在K9雙面拋光玻璃基底上沉積氧化鈦薄膜，通過X射線衍射儀、光柵光譜儀和橢偏儀對氧化鈦薄膜樣品的光學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行測試和分析.結(jié)果表明：濺射沉積的氧化鈦納米薄膜呈非晶態(tài)；其折射率和消光系數(shù)在可見光波段隨波長的增大呈指數(shù)規(guī)律迅速變小，最終趨于一常數(shù)，氧化鈦薄膜消光系數(shù)的平均值很小表明它在可見光波段是透明的；根據(jù)所得光學(xué)參數(shù)計(jì)算得到薄膜的透射率在350～800nm光波范圍內(nèi)，與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合；沉積的氧化鈦薄膜樣品經(jīng)過450℃保溫6h的退火熱處理后，由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài).

氧化鈦薄膜；磁控濺射；折射率；退火處理

氧化鈦薄膜堅(jiān)硬，抗化學(xué)腐蝕，在整個(gè)可見和近紅外光譜區(qū)均透明，折射率很高［1］，具有優(yōu)良的介電、壓電、氣敏和光催化性能，在微電子、光學(xué)、傳感器和光催化等方面應(yīng)用廣泛.由于氧化鈦薄膜具有優(yōu)異的物理性能，因此，研究氧化鈦薄膜的制備工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［2－5］.制備氧化鈦薄膜的方法很多，可以通過電子束蒸發(fā)法、活化反應(yīng)蒸發(fā)法、離子束法、離化團(tuán)束法和直流（交流）反應(yīng)磁控濺射法等物理氣相沉積法制備，也可以通過化學(xué)氣相淀積、溶膠－凝膠（Sol－Gel）法等化學(xué)方法制備，其中反應(yīng)磁控濺射金屬Ti靶的方法工藝較為穩(wěn)定，易于控制，可以制備出具有較高折射率的高質(zhì)量氧化鈦薄膜［6－8］.本研究采用磁控濺射法制備氧化鈦薄膜，考察薄膜的光學(xué)性能以及熱處理對薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響.

1 實(shí)驗(yàn)過程

薄膜樣品在FJL560CI2型超高真空磁控濺射系統(tǒng)上采用RF反應(yīng)磁控濺射法制備.濺射靶是直徑為50.9mm、厚度為5mm的高純度（99.99%）金屬Ti靶，選用K9雙面拋光玻璃作為基底.鍍膜時(shí)基底在上，靶材在下，以防止污染物玷污基底.鍍膜前，將光學(xué)玻璃片浸泡在丙酮中，超聲波振蕩10min，再用無水乙醇清洗，吹干后將光學(xué)玻璃基底安裝在襯底架上.本底真空為4×10－4Pa，每次濺射前，均在純Ar氣環(huán)境中輝光放電5min左右，當(dāng)靶表面輝光顏色由粉紅變?yōu)樗{(lán)白或放電電壓迅速下降到某一穩(wěn)定值時(shí)，表明氧化物已除去.在完成對基底和靶材的清洗后，便可通入氧氣反應(yīng)濺射沉積薄膜樣品.濺射氣體為高純Ar（99.999%）氣和反應(yīng)氣體 O2（99.999%），Ar氣流量為80cm3／min，O2氣流量為4cm3／min，工作氣壓為0.2Pa，濺射偏壓為－100V，濺射時(shí)間為3h.薄膜的光學(xué)常數(shù)由橢偏法［9］測出.考慮到薄膜樣品的厚度較小，為減小來自基體的影響，采用小掠射角X射線衍射法（Grazing－Angle X－Ray Diffraction，GAXRD）測試薄膜樣品的結(jié)晶狀態(tài).隨后，將樣品置于箱式爐中，進(jìn)行450℃保溫6h的退火處理，再利用GAXRD測試其微觀結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜的光學(xué)性能

對于濺射沉積所得的TiO2薄膜樣品，利用橢圓偏振譜儀在入射角分別為55°、65°和75°時(shí)測量其橢偏參數(shù)φ和Δ隨波長的變化情況，進(jìn)而通過計(jì)算得到折射率n、消光系數(shù)k與波長的變化曲線，如圖1所示.

圖1 橢偏法計(jì)算得到n和k隨波長的變化曲線Fig.1 Calculated nand kchanging with wavelength according to the ellipsometer measurement

由圖1可以看出，TiO2薄膜的折射率在較小的波長范圍內(nèi)迅速減少，然后隨著波長的增加而緩慢減小，最終趨于2.15.與此趨勢相似的是薄膜的消光系數(shù)，在300～400nm范圍內(nèi)直線下降，從0.8迅速減小到0.03附近；而當(dāng)波長達(dá)到400nm以上時(shí)，隨著波長的增加，消光系數(shù)基本不變，保持在非常小的數(shù)值，這說明薄膜對可見光的吸收非常小.計(jì)算表明：TiO2薄膜在可見光波段（400～800 nm）的平均折射率為2.26，平均消光系數(shù)僅為0.004，說明該薄膜屬于高折射率的透明材料.由于對可見光吸收小且透明，這種薄膜可以應(yīng)用于可見光波段的介電光子晶體結(jié)構(gòu)中.

通過對圖中折射率和消光系數(shù)進(jìn)行數(shù)值擬合，可以得到該TiO2薄膜折射率和消光系數(shù)的色散關(guān)系：

通過分析橢偏測試結(jié)果，可以計(jì)算得到該樣品薄膜的厚度為146.4nm.通過傳輸矩陣，并利用式（1）、式（2）和薄膜厚度，可計(jì)算出薄膜樣品的透射譜.同時(shí)，利用WGD－8A型組合式多功能光柵光譜儀測試TiO2薄膜透射譜，測試的波長范圍為200～800nm，波長分辨率為0.2nm.將測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)測試與理論計(jì)算的透射譜Fig.2 Comparison of the simulated transmittance spectrum with the measured one

通過圖2可以看出，TiO2薄膜透射譜的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果在可見光波范圍內(nèi)吻合良好，這說明式（1）和式（2）所表達(dá)的光學(xué)常數(shù)隨波長的變化關(guān)系以及薄膜的厚度數(shù)據(jù)是可靠的.同時(shí)，圖2還表明濺射獲得的TiO2薄膜在可見光波段具有較高的透射率，平均值達(dá)到80%以上，因而薄膜是透明的，這與薄膜在可見光波段消光系數(shù)小的結(jié)論吻合.

2.2 薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)

圖3為TiO2沉積樣品的GAXRD測試結(jié)果，衍射圖譜中基本看不到明顯的衍射峰，表明鍍制的薄膜呈非晶態(tài).由實(shí)驗(yàn)條件可知，在薄膜沉積過程中基底未加熱，且濺射離子能量較低，因此成膜粒子沒有足夠的能量進(jìn)行遷移，結(jié)果以非晶態(tài)形式成膜.沉積過程中，只有Ar氣和O2氣通入沉積腔室，在真空等離子體環(huán)境中，O離子與濺射出的Ti離子反應(yīng)形成Ti的氧化物.

圖3 TiO2薄膜樣品的GAXRD圖譜Fig.3 XRD pattern of the as－deposited film

為了考察熱處理對薄膜結(jié)構(gòu)的影響，將樣品置于箱式爐中，進(jìn)行450℃保溫6h的退火處理后，利用GAXRD測試其物相結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示.

圖4中可以清晰地看到銳鈦礦型TiO2（101）、TiO2（112）和TiO2（211）晶面的衍射峰，說明非晶態(tài)薄膜經(jīng)退火熱處理變?yōu)門iO2結(jié)晶態(tài).

3 結(jié)論

（1）本研究采用磁控濺射方法獲得TiO2薄膜樣品，GAXRD結(jié)果表明濺射沉積的TiO2薄膜呈非晶態(tài).

（2）通過橢圓偏振譜儀獲得的薄膜光學(xué)性能參數(shù)證明制備所得TiO2薄膜在可見光波段消光系數(shù)很小，屬于透明膜，可用作一維光子晶體的組份材料.

（3）退火熱處理可以使濺射沉積的TiO2薄膜由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài).

［1］ EINAGA Y，GU Z Z，HAYAMI S，et al.Reversible photo induced switching of magnetic properties at room temperature of iron oxide particles in self－assembled films containing azobenzene［J］.Thin Solid Films，2000，374（1）：109－113.

［2］ WU P F，BHAMIDIPATI M，COLES M，et al.Biological nano－ceramic materials for holographic data storage［J］.Chem Phys Lett，2004，400（4／5／6）：50－510.

［3］ 李小甫，余海湖，姜德生.光波導(dǎo)用TiO2／SiO2復(fù)合薄膜的制備及其性能研究［J］.光電子技術(shù)與信息，2003（16）：20－25.

［4］ 孫奉玉，吳鳴，李文釗.TiO2表面光學(xué)活性與光催化活性的關(guān)系［J］.催化學(xué)報(bào)，1998（19）：121－124.

［5］ 王武育，王溪晶，楊太禮.TiO2薄膜的光電性能及應(yīng)用［J］.稀有金屬，2008（3）：781－788.

［6］ 楊軍，明海，王沛，等.光學(xué)薄膜在光通訊中的應(yīng)用［J］.光電子技術(shù)與信息，2003（16）：10－14.

［7］ 孫大河，曹立新，常素玲.一維納米材料的制備、性質(zhì)及應(yīng)用［J］.稀有金屬，2006（1）：88－94.

［8］ 田民波，劉德令.薄膜制備技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：137－401.

［9］ 包學(xué)誠.橢偏儀的結(jié)構(gòu)原理與發(fā)展［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，1999（3）：58－61.

Optical properties of titanium oxide film by magnetron sputtering and influence of heat treatment on its structure

JIANGTian－tian，HUANGMei－dong，DUShan
（College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Titanium oxide film was deposited at room temperature by magnetron sputtering onto K9glass of which both sides were polished.X－ray diffraction，ellipsometer and grating spectrometer were employed to measure optical properties and the structure of the film，respectively.The results show that the titanium oxide film which has a nano－dimension is amorphous.Its refractive index and extinction coefficient exponentially decrease with the increase of light wavelength in visible band，and finally tend to be constants.The very small extinction coefficient indicates that the film is transparent in visible band.The theoretically calculated transmittance spectrum is consistent well with that measured one within 350－800nm.The amorphous titanium oxide film becomes crystalline after being annealed at 450℃for 6hours.

titanium oxide film；magnetron sputtering；refractive index；annealing

O434.13，O484.4＋1

A

1671－1114（2012）03－0033－03

2012－01－09

天津師范大學(xué)學(xué)術(shù)創(chuàng)新推進(jìn)計(jì)劃資助項(xiàng)目（52X09038）

蔣甜甜（1988—），女，在讀本科生.

黃美東（1972—），男，副教授，主要從事硬質(zhì)涂層和功能薄膜方面的研究.

（責(zé)任編校 亢原彬）