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)合力強等優(yōu)點。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 TiO?靶和 Ti 靶作為主要的濺射源。TiO?靶材選擇特定直徑、厚度的圓靶，靶材的純度應(yīng)達到 99.9% 以上，以確保薄膜的質(zhì)量和性能達到最佳狀態(tài)；Ti 靶的尺寸可以根據(jù)設(shè)備需求進行選擇，本文選擇 100mm、特定厚度的規(guī)格，Ti 靶的純度要求達到 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 Ar (純度 99.99%) 作為濺射氣體，N?(特定純度) 和 O?(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。

表 1 實驗主要儀器設(shè)備 實驗主要儀器設(shè)備

磁控濺射機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 型磁控濺射機還具備高度的自動化和智能化特點。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。

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雜質(zhì)全部清除 [4]；移除基片，把它浸泡在酒精中，進行持續(xù) 10min 的超聲波洗滌，進一步清除表面和除去殘留的丙酮；用氮氣吹干襯底，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??Pa，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，在原氣體氛圍下進行原位退火處理，以促進薄膜的結(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 Tauc Plot 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) 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，以便進行后續(xù)的統(tǒng)計分析。

使用 X1700 紫外 - 可見分光光度計進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 Tauc Plot (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)濺射溫度達到高溫范圍時，薄膜的光學(xué)帶隙達到最小值，此時薄膜的光電性能達到最優(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 TiO?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 TiO?薄膜進行折射率測試，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，氧分壓的提高也進一步降低了薄膜的堆積密度。因此，真空度對 TiO?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制，為實際應(yīng)用提供更多可能性。

參考文獻

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