磁控濺射在PET上制備Fe薄膜及性能研究

南京郵電大學(xué) 李令斌 張 超 葉 帥

隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，在各種襯底上制備導(dǎo)電薄膜成為越來越多人研究的內(nèi)容，基于柔性材料PET耐高溫、價格便宜、資源豐富等優(yōu)良特性，在柔性襯底PET材料上，通過磁控濺射的技術(shù)，以Fe為靶材制備薄膜，通過研究不同濺射時間對薄膜X射線衍射圖譜的不同，我們得出濺射時間對薄膜的結(jié)構(gòu)形成并無明顯的影響，鑒于這一實驗結(jié)果，我們制定下一步實驗計劃，研究濺射壓強對薄膜影響。

引言：柔性導(dǎo)電透明薄膜具有重量小、體積占比小、易于折疊和方便攜帶的特點，在生活中，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在塑料薄膜太陽能電池、不易碎熱反射鏡、液晶顯示屏和一些柔性的電光材料等領(lǐng)域。對于導(dǎo)電薄膜的制備，通常會在薄膜額材料和襯底的材料兩方面進行選擇，由于我們研究的是柔性襯底上制備透明導(dǎo)電薄膜，對于薄膜材料，我們需要其具有良好的光電性能的同時，還要關(guān)注其有無毒性、資源的價格和制作成本等特點；對于襯底的選擇，我們要求其成膜溫度盡可能低，這就要求所選用的柔性襯底需要具有耐高溫的特性，另外對其透明性也有一定的要求，透明度越高越好。

自旋電子學(xué)，也被稱為自旋電子，是本征的研究自旋的電子和其相關(guān)聯(lián)的磁矩，除了其基本電子電荷，在固態(tài)設(shè)備。自旋電子學(xué)與傳統(tǒng)電子學(xué)的根本區(qū)別在于，除電荷狀態(tài)外，電子自旋還被用作進一步的自由度，對數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)男视杏绊憽Ｗ孕娮酉到y(tǒng)通常在稀磁半導(dǎo)體（DMS）和赫斯勒合金中實現(xiàn)，并且在量子計算領(lǐng)域中特別受關(guān)注。

近年來，自旋電子學(xué)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自旋電子學(xué)相關(guān)的特性及使用場景，這使得對自旋電子學(xué)相關(guān)的薄膜特性研究變得更加急需，本文從自旋電子學(xué)和柔性薄膜材料兩個角度結(jié)合考慮，使用磁控濺射技術(shù)在PET薄膜上制備Fe薄膜，進而研究濺射時間對薄膜性能的影響，并得出相關(guān)結(jié)論。

1.研究現(xiàn)狀

周強等人在PET柔性襯底上做了薄膜沉積的實驗，其在室溫下在PET通過沉積實驗，成功制備了具有低電阻率的CdO導(dǎo)電薄膜，經(jīng)過實驗驗證，該薄膜具有良好的導(dǎo)電能力和不錯的結(jié)晶能力，但實驗驗證其薄膜的波長透過性能指標不高，從而得出薄膜不能在發(fā)光器件及全色顯示中應(yīng)用的結(jié)論。

王新在玻璃襯底和柔性PET襯底上做了薄膜沉積實驗，其實驗中在相同的環(huán)境下，制備了導(dǎo)電ITO薄膜，進而對比在不同襯底不同的情況下，薄膜特性會不會發(fā)生大的差異。通過分別對其實驗制備薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性及電學(xué)性能的分析，關(guān)于生長性質(zhì)的比較，PET襯底上生長的薄膜樣品性質(zhì)相比玻璃襯底上生長的薄膜樣品有稍許的差距，但差別很?。魂P(guān)于透光率的分析，PET襯底上生長的ITO薄膜透光率高達87%，此性能遠遠高于在玻璃襯底上生長的ITO薄膜的透光率，并且PET在導(dǎo)電方面也非常優(yōu)秀，電阻率可以達到4.7×10-4。

劉漢法在水冷柔性PET襯底上做了薄膜沉積實驗，其在室溫下在水冷柔性PET襯底上，通過改變?yōu)R射壓強，制備了高質(zhì)量的TZO導(dǎo)電透明薄膜。經(jīng)過實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)濺射壓強對柔性TZO薄膜的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、電光學(xué)特性均會產(chǎn)生不同程度地影響。在分析薄膜的結(jié)構(gòu)特性后，發(fā)現(xiàn)柔性TZO薄膜是六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的多晶膜，該結(jié)構(gòu)C軸擇優(yōu)取向。濺射壓強為5Pa是制備的TZO薄膜具有最小的電阻率，所有樣品的可見光光學(xué)透過率均大于91%，濺射壓強為6Pa時樣品薄膜的應(yīng)力最小為0.785GPa。實驗制備的柔性PET襯底TZO透明導(dǎo)電薄膜在柔性液晶顯示屏、塑料薄膜太陽能電池和柔性電光學(xué)器件領(lǐng)域有很好地應(yīng)用前景。

2.實驗

關(guān)于磁控濺射技術(shù)，我們可將其劃分成三類，射頻磁控濺射技術(shù)、直流磁控濺射技術(shù)及中頻磁控濺射技術(shù)。射頻磁控濺射的電流很大，這使得濺射速率高，膜層和基體的附著力較強，電子向基片的入射能量較低，進而避免基片溫度偏高的問題，由于裝置結(jié)構(gòu)等復(fù)雜多樣，其設(shè)備也要求與屏蔽、絕緣、電極冷及復(fù)雜的相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等部件一同使用，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計就造成射頻磁控濺射儀器的費用成本偏高，故不經(jīng)常用于工業(yè)生產(chǎn)當中。

相較射頻磁控濺射，直流磁控濺射的裝置要簡單的多，通常在300～1000V，特點是濺射速率快，造價低，后期維修保養(yǎng)便宜。但只能濺射金屬靶材，如果靶材是絕緣體，隨著濺射的深入，靶材會聚集大量的電荷，導(dǎo)致濺射無法繼續(xù)。因此對于金屬靶材通常用直流磁控濺射，由于造價便宜，結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)匹配裝置和昂貴的射頻電源裝置，這使得它的價格相對低廉，在工業(yè)上已經(jīng)得到了大量使用。但是其不可忽略關(guān)鍵問題是，在其使用過程中，靶中毒的現(xiàn)象時有發(fā)生，故這就要求在制備過程中，要對其反應(yīng)氣體流量的進一步把控。中頻磁控濺射的電源價格比射頻磁控濺射低，靶材為平面靶或者旋轉(zhuǎn)靶，對靶材材質(zhì)沒有要求，制備時有較高的利用率，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)于其靶材的最高利用率，可達到70%以上，并且其制備時濺射的速率快，它抵御靶中毒的能力很強，且工作穩(wěn)定，沒有打弧現(xiàn)象，濺射速率快。

本論文采用直流磁控濺射技術(shù)制備柔性襯底薄膜。實驗靶材選擇為鐵靶，其靶材純度為99.9%，選用柔性PET材料做襯底，濺射氣體為氬氣（99.995%），反應(yīng)氣體為氮氣（99.995%）。如圖1為建設(shè)過程的具體流程圖，關(guān)于磁控濺射環(huán)境，其腔體中的壓強為8×10-5Pa，反應(yīng)時壓強為0.5Pa。對于本文所研究的樣品，濺射時間作為變量，氮氣流量和溫度保持不變。濺射時Fe靶的電源功率為100w，直流濺射時間分別為為7.5min、15min、30min、60min。

圖1 磁控濺射過程流程圖

3.結(jié)果分析

對于制備的樣品，我們采用XRD技術(shù)對其分析。XRD(X-Ray Diffraction)通常用來對物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)進行分析。其原理是X射線與原子產(chǎn)生相互作用，發(fā)生衍射現(xiàn)象，由于晶體的原子結(jié)構(gòu)、排列方式不同，產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象也不同。我們可以通過對其衍射圖譜的分析進而對原子的結(jié)構(gòu)、形態(tài)進行研究。

如圖2所示，是Fe/PET薄膜樣品的XRD衍射圖譜。橫坐標是2θ，縱坐標是對數(shù)坐標。從衍射圖譜中我們可以看到，最強的兩個衍射峰分別為Fe和PET襯底。

通過比較不同濺射時間的XRD圖譜可知，圖譜中顯示，在不同的濺射時間下生成的薄膜結(jié)構(gòu)中，衍射峰位置大致相同，故得出結(jié)論，濺射時間對薄膜的結(jié)構(gòu)形成并無明顯的影響。鑒于這一實驗結(jié)果，我們將進行下一步實驗，探索濺射時壓強對薄膜的形成的影響。

圖2 Fe/PET薄膜樣品的XRD衍射圖譜