氧化鈦是一種重要的光電材料，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、光催化性能以及光電轉(zhuǎn)換效率，受到了廣大研究者的關(guān)注。磁控濺射技術(shù)通過控制濺射過程中的磁場和電場，實現(xiàn)對濺射粒子能量、方向和沉積速率的精確調(diào)控[1]。這種技術(shù)制備的氧化鈦薄膜具有結(jié)構(gòu)致密、均勻性好、與基底結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。改變?yōu)R射參數(shù)和沉積條件，還可以實現(xiàn)對氧化鈦薄膜成分、結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控，滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。光電性能是氧化鈦薄膜的重要性能，通過磁控濺射技術(shù)制備的氧化鈦薄膜，其光電性能受到多種因素的影響。因此，深入研究這些因素對氧化鈦薄膜光電性能的影響機(jī)制，對于優(yōu)化薄膜制備工藝、提高薄膜光電性能具有重要意義。

1、制備磁控濺射氧化鈦薄膜

1.1主要材料

利用磁控濺射技術(shù)制備氧化鈦薄膜的主要材料有：

1）靶材。采用TiO2靶和Ti靶作為主要的濺射源。TiO2靶材選擇?100mm、厚度5mm的圓靶，靶材的純度應(yīng)達(dá)到99.9%以上，以確保薄膜的質(zhì)量和性能達(dá)到最佳狀態(tài)；Ti靶的尺寸可以根據(jù)設(shè)備需求進(jìn)行選擇，本文選擇?100mm、厚度5mm的規(guī)格，Ti靶的純度要求達(dá)到99.9%以上，以保證濺射出的原子純凈無污染。

2）濺射氣體。本文采用A（r純度99.99%）作為濺射氣體，N（2純度99.99%）和O（2純度99.99%）作為反應(yīng)氣體。濺射室內(nèi)的壓力通常維持在0.1～1Pa，這樣的低真空環(huán)境有助于形成高質(zhì)量的薄膜。當(dāng)使用Ti靶進(jìn)行濺射時，氧氣的流量根據(jù)所需的氧化程度來調(diào)整。一般來說，氧氣的流量控制在1～20mL/min（標(biāo)況下）。過多的氧氣可能會導(dǎo)致薄膜的導(dǎo)電性下降，而氧氣不充分則可能無法完全氧化Ti[2]。

3）化學(xué)藥品。丙酮、無水乙醇、異丙醇（均為分析純）作為實驗材料。選擇靶材和嚴(yán)格控制濺射氣體的流量和壓力，可以制備出具有良好光電性能的氧化鈦薄膜，為光電器件、太陽能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的材料。

1.2主要設(shè)備及儀器

在磁控濺射制備氧化鈦薄膜的過程中，采用一系列高性能的設(shè)備及儀器，以確保實驗的精確性和可靠性。表1為實驗主要儀器設(shè)備。

磁控濺射機(jī)是制備薄膜的核心設(shè)備。MS-500型磁控濺射裝置為垂直式結(jié)構(gòu)，在高真空條件下，可保證鍍膜的純度及穩(wěn)定性。該裝置由磁控濺射腔、磁控濺射靶、直流電源、射頻電源和濺射室等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多種濺射模式，滿足不同薄膜制備需求，無論是單層薄膜還是多層薄膜，都能實現(xiàn)納米級的制備精度[3]。此外，MS-500型磁控濺射機(jī)還具備高度的自動化和智能化特點(diǎn)。通過精確的控制系統(tǒng)和智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控薄膜制備過程，自動調(diào)整參數(shù)，確保薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

表 1 實驗主要儀器設(shè)備

1.3制備方法

1.3.1基底的準(zhǔn)備

用磁控濺射法生產(chǎn)二氧化鈦膜時，基片的選用和制作是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文采用北京中鏡科儀科技股份有限公司研制的5mm×10mm單晶硅基片，將其切成5mm×5mm的薄片。基底的潔凈度直接關(guān)系到膜與基底之間的粘接能力，若基板上有污物，在鍍膜時會發(fā)生剝離，降低鍍膜的品質(zhì)及使用性能。制訂一套嚴(yán)格的基板清洗工藝：用丙酮浸泡硅片及玻片，并用超聲波沖洗10min，使晶片及玻片上的油污及有機(jī)雜質(zhì)全部清除[4]；移除基片，把它浸泡在酒精中，進(jìn)行持續(xù)10min的超聲波洗滌，進(jìn)一步清除表面和除去殘留的丙酮；用氮?dú)獯蹈梢r底，確保表面無殘留液體后，將其裝入樣品臺。

1.3.2濺射沉積

本文采用磁控濺射法制備薄膜，平面磁控濺射靶的工作原理如圖1所示。

準(zhǔn)備工作：1）啟動總電源和顯示屏，打開鍍膜室的放氣閥，為接下來的操作準(zhǔn)備適宜的環(huán)境；將所需的靶材精確安裝到指定位置，將基片穩(wěn)妥地放入基片架中。確定所有閥門均已緊密關(guān)閉后，關(guān)閉放氣閥和鍍膜室門，以確保鍍膜室的密封性[5]。

濺射沉積：

1）開啟機(jī)械泵和旁抽閥，同時啟動真空計電源，逐漸降低鍍膜室內(nèi)的壓力，直至鍍膜室壓力降至2.0Pa以下，關(guān)閉旁抽閥，開啟前級閥，等待大約10～20s后，打開分子泵電源；

2）旋轉(zhuǎn)打開閘板閥，啟動分子泵，繼續(xù)抽真空，直至真空度≥2×10-4Pa，通入實驗所需的氣體，并根據(jù)實驗方案設(shè)置各步驟的加熱溫度及時間。待加熱溫度達(dá)到預(yù)定目標(biāo)后，調(diào)整閘板閥，使腔內(nèi)氣壓穩(wěn)定在2.0～3.0Pa；

3）打開射頻電源開關(guān)，設(shè)定濺射功率，啟動濺射過程，此時，靶材開始起輝，進(jìn)行時長為10～20min的預(yù)濺射，清潔靶材表面，去除可能存在的污染物；

4）預(yù)濺射結(jié)束后，調(diào)整氣壓至適宜的濺射氣壓，將襯底移至靶材上方，靶材表面的材料通過濺射沉積在基板表面，從而得到需要的膜層；

5）濺射鍍膜完成后，在原氣體氛圍下進(jìn)行原位退火處理，以促進(jìn)薄膜的結(jié)晶和性能優(yōu)化，待腔體自然冷卻至室溫后，取出樣品并關(guān)閉設(shè)備，濺射沉積實驗結(jié)束。

2、影響磁控濺射氧化鈦薄膜光電性能的因素

2.1靶功率

在不同的靶材能量下，薄膜透過率與膜層的厚度、致密性及表面粗糙度等因素相關(guān)。準(zhǔn)備不同功率的靶材，設(shè)定靶功率分別為50，100，150，200W。將不同功率的靶材安裝到濺射槍上，確保靶材與襯底之間的距離適當(dāng)，關(guān)閉鍍膜室，啟動真空泵，將鍍膜室內(nèi)的氣壓降至所需真空度。

光學(xué)帶隙是描述材料電子結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，能夠反映材料的光電性能。使用紫外-可見分光光度計對制備的薄膜樣品進(jìn)行透射率測試，記錄不同波長下的透射率數(shù)據(jù)。根據(jù)透射率數(shù)據(jù)，利用TaucPlot法計算薄膜的光學(xué)帶隙。采用阿基米德排水法，將薄膜樣品置于特定液體中，通過測量樣品排開液體的體積變化測量薄膜的實際密度，然后與同材質(zhì)理論致密薄膜的密度進(jìn)行對比，計算膜層的相對致密性，表2為不同靶功率下制備薄膜的參數(shù)。數(shù)據(jù)表明薄膜的光學(xué)帶隙隨靶材功率的增加而減小。這主要是由于濺射功率越大，膜層的結(jié)晶程度越高，晶界密度越小，可捕獲的自由電子更少，這就降低了價帶到導(dǎo)帶間躍遷所需要的最低能量，也就是光學(xué)帶隙的減小[6]。試驗數(shù)據(jù)表明靶功率對二氧化鈦薄膜的光電性能具有顯著影響。調(diào)整靶功率，控制薄膜的結(jié)晶度、晶界密度以及光學(xué)帶隙等關(guān)鍵參數(shù)，可以優(yōu)化薄膜的光電性能。

表 2 不同靶功率下薄膜的參數(shù)

2.2濺射溫度

在磁控濺射系統(tǒng)中，設(shè)置不同的濺射溫度，將不同濺射溫度下制備的薄膜試樣進(jìn)行標(biāo)記，試樣1（低溫，25～50℃）、試樣2（中溫，100～200℃）、試樣3（高溫，300～400℃）。其他濺射參數(shù)保持一致，分析溫度對薄膜性能的影響。同一濺射溫度，制備多個薄膜試樣，以便進(jìn)行后續(xù)的統(tǒng)計分析。

使用X1700紫外-可見分光光度計進(jìn)行透射性和吸收性試驗。測試波長范圍設(shè)定為300～1100nm。在研究二氧化鈦薄膜的光學(xué)帶隙時，使用TaucPlot（塔克圖）法來估算光學(xué)帶隙值如圖2所示。圖中縱坐標(biāo)軸為（αhν）1/2值，α是吸收系數(shù)，h是普朗克常量，ν是光的頻率。可以看出，隨著濺射溫度的變化，薄膜的光學(xué)帶隙呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。在低溫濺射條件下，薄膜的光學(xué)帶隙較大，這可能是由于低溫下薄膜結(jié)晶度較低，存在較多的缺陷所致[7]。隨著濺射溫度的升高，薄膜的光學(xué)帶隙逐漸減小，表明薄膜的結(jié)晶度和光電性能得到了一定程度的改善；當(dāng)濺射溫度達(dá)到高溫范圍時，薄膜的光學(xué)帶隙達(dá)到最小值，此時薄膜的光電性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。綜上所述，濺射溫度對氧化鈦薄膜的光電性能有顯著影響。

2.3真空度

設(shè)定真空度分別為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2Pa條件下制備TiO₂薄膜。使用橢圓偏振儀或其他合適的方法對不同真空度條件下制備的TiO₂薄膜進(jìn)行折射率測試，繪制不同真空度條件下薄膜折射率曲線如圖3。使用紫外可見分光光度計對不同真空度下沉積的薄膜進(jìn)行透光率和反射率測試。測試數(shù)據(jù)表明：隨著真空度的降低，薄膜的折射率呈下降趨勢，堆積密度也相應(yīng)降低[8]。這是由于真空度的降低導(dǎo)致濺射原子的平均自由程減小，沉積在基體表面的原子遷移率降低，薄膜孔隙率增加。同時，氧分壓的提高也進(jìn)一步降低了薄膜的堆積密度。因此，真空度對TiO₂薄膜的光學(xué)性能具有顯著影響。調(diào)整真空度，控制薄膜的折射率有利于優(yōu)化薄膜的光學(xué)性能。

3、結(jié)論

本文對磁控濺射氧化鈦薄膜的光電性能進(jìn)行研究，分析制備過程中靶功率、濺射溫度以及真空度對氧化鈦薄膜光電性能的影響。試驗結(jié)果表明，調(diào)整濺射參數(shù)和沉積條件，可以有效地改善薄膜的光電性能。未來應(yīng)深入研究更多的影響氧化鈦薄膜光電性能的因素及其作用機(jī)制，為實際應(yīng)用提供更多可能性。

參考文獻(xiàn)：

[1]紀(jì)建超，顏悅，陳宇宏，等.在PMMA上低溫沉積TiO2薄膜的光學(xué)性能及顯微結(jié)構(gòu)[J].中國塑料，2024（3）：7-12.

[2]黃俊宇，瞿小林，秦源濤，等.常壓下鈮摻雜二氧化鈦薄膜的制備與光學(xué)性能研究[J].功能材料與器件學(xué)報，2023（4）：281-286.

[3]孟真，朱琳，王繼紅，等.用于SERS檢測的二氧化鈦薄膜制備研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2023（S1）：229-230.

[4]高奇奇，郝艷玲，程龍，等.玉米淀粉/TiO2納米復(fù)合薄膜制備與性能[J].中國塑料，2023（2）：45-50.

[5]毛志平，李芳，王莎，等.TiO2/Bi2S3光陽極的制備及其光電性能[J].材料熱處理學(xué)報，2022（9）：41-48.

[6]劉玉春，安佳鈺，劉靖，等.銦摻雜氧化鈰-氧化鈦薄膜作為電致變色器件離子儲存層的電化學(xué)性能研究[J].電鍍與精飾，2022（8）：44-50.

[7]顧明廣，蘇芳.Sb摻雜二氧化鈦光電極的制備與性能研究[J].現(xiàn)代化工，2022（8）：172-176.

[8]陳功，宗律，張鑫道，等.用改進(jìn)灰關(guān)聯(lián)法研究磁控濺射工藝參數(shù)對二氧化鈦鍍膜的影響[J].電鍍與涂飾，2022（6）：437-445.

（注，原文標(biāo)題：磁控濺射氧化鈦薄膜光電性能研究）

相關(guān)鏈接