ITO薄膜具有將物質導電性和透明性集于一體的獨特光電性質。近來的研究表明,透明導電薄膜的光、電機理在一定程度上啟發了制備高性能的光學能帶調制結構材料 。ITO薄膜作為透明導電氧化物薄膜的代表,在過去的二十多年里人們對它作過大量的研究,但主要致力于對各種條件下晶態薄膜在可見光區的透射率和電導率的改善。而低溫下沉積的非晶態ITO薄膜在對溫度敏感的柔性電光器件、有機薄膜發光器件上應用都具有明顯的優越性 。

       本文研究了在低溫下制備的非晶態和空氣中退火后的多晶ITO薄膜的微結構,利用橢偏解譜的方法對ITO 薄膜的透射譜進行擬合,得到了所制備系列薄膜的光學常數和在光學吸收邊附近的光學性質。

1、實驗

1.1、樣品制備

       用JGP560型超高真空多功能磁控濺射儀,采用直流磁控濺射工藝在室溫下制備了ITO透明導電薄膜。采用高純度(99199 %) 的氧化銦錫陶瓷靶材(wt190 %In2O3 + wt110 %SnO2 ,Φ60mm) ,基片為普通載玻片(10mm ×10mm ×2mm) 。在樣品制備前,載玻片先后經丙酮、酒精和去離子水超聲各清洗15min ,并用烘箱烘干。濺射時本底真空度為610 ×10 - 4Pa ,靶基距6cm ,Ar 氣流量45sccm ,濺射壓強1Pa ,濺射電壓320V ,濺射電流0114A ,時間為215min。將制成的膜厚約為130nm 的5 個樣品(樣品編號為1、2、3、4和5) 中的2、3、4 和5 號樣品分別在100、200、300 和400 ℃下退火1h。

1.2、測量

        采用MAC M18XHF 全自動轉靶型X 射線衍射儀測量了ITO 透明導電薄膜的X 射線衍射譜。用ShimadzuUV2265 型紫外- 可見分光光度計測量ITO薄膜的透射率。實驗中將未鍍膜玻璃的透射曲線為參照,再將鍍膜玻璃放在樣品測試架上進行掃描,對比即可得到ITO 薄膜的透射率曲線。掃描鍍膜玻璃的參數與掃描參照玻璃的參數相同: 狹縫寬度為1nm ,波長掃描范圍為300nm～800nm ,響應時間為1min。

1.3、數據處理

         橢偏解譜的基本原理是利用式(1) 橢偏方程通過回歸算法把橢偏測量儀輸出的一組橢偏參數ψ、Δ進行數據擬合,從而得到薄膜厚度d 及折射率nF(若膜有吸收, 則nF 為復折射率, 可用nF = n + ik表示) 。在解譜軟件中橢偏測量儀輸出的一組橢偏參數ψ、Δ 就是目標(target) 文件,利用計算機編程將透射譜數據轉換成橢偏解譜軟件中的目標(tar2get) 文件,解譜程序即自動轉換為有關透射率和光學常數以及厚度等參數的運算關系。然后建立適當的模型對實驗數據進行擬合。當擬合數據和實驗數據的差值、均方根誤差(RMSE) 以及各變量間的影響因子都達到滿意的結果時,就得到了光學常數、厚度以及其他相關的參數值。

       其中n0 為入射介質折射率、d 和nF 為薄膜厚度及折射率、ns 為基片折射率、φ0 和λ為橢偏光束的入射角和波長。

2、結果與分析

         五個樣品的XRD 如圖1 所示。未退火的1 號樣品主要是非晶結構,退火后薄膜變成多晶結構,隨著退火溫度的升高, (222) 面的衍射峰漸強。

圖1 　不同退火溫度的ITO 薄膜X射線衍射圖譜

　　與橢偏數據解譜不同的是,透射譜的數據點很多,建立復雜的模型會嚴重影響運算的速度,鑒于ITO 薄膜是既透明又導電的,既有自由電子的貢獻也有晶格散射貢獻,在此建立單層的Drude + LorentzOscillator 模型,其色散關系如式(2) 。

           其中E 為入射光子能量,需要設置初始值的參數有: 諧振子數j , 高頻介電常數ε∞, 中心能量Ecenter ,諧振子振幅Aj , 等離子體共振頻率ωp , 碰撞頻率v 。在此j取1。

          將1～5 號樣品的厚度以及擬合的均方根誤差(RMSE) 列表,如表1。