應(yīng)用射頻磁控濺射設(shè)備在超白玻璃和石英玻璃等非晶基體上生長Nb 摻雜TiO2薄膜。在固定的電源功率、頻率、靶基距和濺射時(shí)間的條件下，通過改變基體溫度、反應(yīng)氣體及其含量，可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的晶相分布圖。在還原氣體環(huán)境隨著基體溫度的增加得到了金紅石相的Nb 摻雜TiO2薄膜；在氧化氣體環(huán)境中，不同的基體溫度和不同的氧化氣體含量能夠生長出較為純凈的銳鈦礦相及銳鈦礦相和金紅石相的混相。通過此相圖的研究能夠?yàn)橹苽淞己玫耐该鲗?dǎo)電薄膜奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　透明導(dǎo)電薄膜由于具有高的可見光透射率和低的電阻率，在抗靜電涂層、觸摸顯示屏、平板顯示(FPDs) 、太陽電池、低輻射玻璃、電磁波防護(hù)和隱形安全電路等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是近年來，隨著人們生活水平的提高和節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)于大平面顯示和太陽電池需求越來越多，透明導(dǎo)電薄膜作為這兩種器件的關(guān)鍵材料，它的市場需求量正在逐年增加，目前，透明導(dǎo)電薄膜已經(jīng)形成了年產(chǎn)值數(shù)百億美元的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。

　　透明導(dǎo)電薄膜按照材料種類的不同，可分為金屬和半導(dǎo)體兩大類。對(duì)于金屬材料，金、銀、鋁等材料在透明導(dǎo)電方面具有良好的性能，但這些材料必須制成網(wǎng)格狀或厚度小于20 nm 的薄膜才具有較好的透明效果，此外，純金屬還具有易于氧化和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，因此在生產(chǎn)應(yīng)用方面限制了其大規(guī)模的發(fā)展。半導(dǎo)體材料主要是指金屬氧化物，也被稱為透明導(dǎo)電氧化物( 即TCO) 。自從1907 年Badeker報(bào)道了Cd 膜在輝光放電室沉積氧化后的透明導(dǎo)電現(xiàn)象后，從上世紀(jì)到本世紀(jì)初的上百年時(shí)間內(nèi)，各國科研工作者研制開發(fā)了幾十種TCO。

　　目前，光電性能比較理想的材料是摻雜的In2O3、ZnO、SnO2和CdO 等。In 摻雜的CdO 薄膜的電阻率能夠達(dá)到10^-5 Ωcm 的數(shù)量級(jí)，但是Cd 及其化合物屬于高度危害級(jí)別物質(zhì)，成為了其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。摻雜的ZnO 和SnO2雖能夠在實(shí)際中應(yīng)用，但它們分別存在化學(xué)性能不穩(wěn)定和制備過程溫度高等缺點(diǎn)。In2 - x SnxO( ITO) 由于具有低的電阻率( ρ 約為2 × 10^-4 Ωcm) 和高的可見光透過率( T約為80% ～ 90%) ，再加上易于制造和后處理等優(yōu)點(diǎn)，使其在平面顯示和太陽能行業(yè)成為一種不可或缺的重要原材料。但是，由于In是稀有金屬，ITO 薄膜面臨著材料短缺和價(jià)格升高的危險(xiǎn)，因此激發(fā)了科研工作者研究開發(fā)含量豐富價(jià)格便宜的元素替代稀有的In元素來制備透明導(dǎo)電薄膜。TiO2由于具有原料豐富( Ti 元素在地殼中的豐度大約為0.5%) 、成本低廉、無毒、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，倍受科研工作者的青睞，同時(shí)真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為TiO2還具有帶隙寬( Eg = 3.2 eV) 、接近于1m0的電子有效質(zhì)量( m0是自由電子的質(zhì)量) 、高的折射率( n 約為2.4) 和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)只有銳鈦礦相Nb 摻雜的TiO2( TNO) 薄膜具有和ITO 類似的光、電性能。因此，薄膜的晶相結(jié)構(gòu)是影響TNO 薄膜的電阻率的一個(gè)重要因素。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)選用射頻磁控濺射設(shè)備，靶材為TiO2:Nb6%( 原子比) ( TOSHIMA，Φ10 cm) 的陶瓷靶；電源濺射功率為50 W，頻率為25 kHz；真空室的本底壓強(qiáng)達(dá)到10 ^-5 Pa，工作壓強(qiáng)約為10 ^-1 Pa；每次工作前，都在純Ar 氣體中預(yù)濺射10 min 左右，以除去靶表面雜質(zhì)層；通過研究發(fā)現(xiàn)工作溫度和反應(yīng)氣體及反應(yīng)氣體的含量對(duì)薄膜的晶相的生成具有非常重要的影響，因此，工作溫度為室溫至600℃變化，反應(yīng)氣體f(O2) = O2 /( Ar + O2) 或f (H2) = H2 /(Ar +H2) 為0 ～ 1. 25% 變化；每次的濺射時(shí)間為60 min;靶基距為6.5 cm。薄膜沉積的基體材料為10 mm× 10 mm 的超白玻璃及石英玻璃。薄膜的晶相結(jié)構(gòu)通過X 射線衍射(XRD) 儀進(jìn)行表征。

3、結(jié)論

　　研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用射頻磁控濺射設(shè)備能夠在超白玻璃和石英玻璃等非晶基體上生長具有一定晶相的薄膜。同時(shí)發(fā)現(xiàn)基體溫度和反應(yīng)氣體種類與含量是決定薄膜晶相種類的主要因素。在前期的研究中，還發(fā)現(xiàn)在還原氣體環(huán)境中得到的金紅石相具有一定的導(dǎo)電功能，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到10 - 4 Ωcm 數(shù)量級(jí)，而在氧化氣體環(huán)境中得到銳鈦礦相卻表現(xiàn)了絕緣的特性。一些文獻(xiàn)報(bào)道，只有銳鈦礦相的Nb 摻雜TiO2薄膜具有很好的導(dǎo)電性，因此，可以在氧化氣體環(huán)境中在非晶基體上首先生長一層具有銳鈦礦相的Nb摻雜TiO2薄膜，之后再在還原氣體環(huán)境中外延生長一層具有氧缺陷的Nb 摻雜TiO2薄膜，這樣就可得到具有良好透明導(dǎo)電功能的薄膜。Nb 摻雜TiO2薄膜相圖研究對(duì)于進(jìn)一步的研究透明導(dǎo)電薄膜具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意義。