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磁控溅射法制备WO_3基薄膜及相关物理性能的研究

作　者: 李德柱
导　师: 王豫
学　校: 西南交通大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 磁控溅射 WO3薄膜肖特基势垒压敏电压漏电流
分类号: TN304.055
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

三氧化钨（WO₃）是一种重要的功能材料,因具有良好的电致变色、光致变色、电化学性能而得到广泛的研究和应用。近年来,人们又发现了WO₃材料呈现出良好的以低电压小电流为特征的非线性电学性质。由于WO₃压敏薄膜在降低元件的厚度方面比WO₃陶瓷具有较大的优势,因此WO₃薄膜在开发小功率、低压压敏电阻器方面具有极大的优势和潜力。但是,与其它的变阻器材料相比,WO₃的非线性系数不高,伏安特性曲线的重复性不好,而且还存在严重的电学弛豫现象,很多电学性质用以前非线性理论不能完全解释。我们希望通过掺杂改善WO₃压敏薄膜的性能,并对相关的物理机理进行研究分析。本文从制备WO₃薄膜出发,以对其非线性电学性质为主要研究内容,进一步深入了解WO₃基薄膜材料的电行为。本文采用磁控溅射的方法在玻璃和Si基片上制备了WO₃基薄膜,研究了薄膜制备过程中溅射功率、工作压强、衬底温度等条件以及后续的退火处理,对薄膜的结晶、取向状况等的影响,探讨了磁控溅射法制备WO₃薄膜的过程中,工艺条件对其电性能的影响,以此改善工艺条件,优化薄膜的结构。结果表明:退火温度和时间对WO₃薄膜的结构和非线性能影响最大,在500℃、退火20h的样品具有最佳非线性系数14.3,压敏电压为1.8V,漏电流为0.072mA。本文的另一项工作是通过改变Co和Ce金属靶材的溅射功率来研究元素掺杂量对WO₃薄膜电学性能的影响。研究发现:在相同的工艺情况下两种掺杂物的功率分别为50W和40W的时候WO₃基压敏薄膜电学性能最佳,非线性系数分别为4.13;7.92,压敏电压为1.01V;0.93V,漏电流为0.78mA;0.58mA。研究发现,在一定的掺杂情况下,Co掺杂的样品薄膜的晶界结构明显,Ce的掺杂则可以增加势垒高度、提高非线性系数。通过对实验结果的分析,发现现有的解释非线性电输运行为的双Schottky势垒模型不能很好的解释WO₃基薄膜材料的电学行为还必须考虑WO₃是一种极性材料,其电输运应该是与极化相耦合的过程。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-29
  1.1 引言  12-13
  1.2 压敏电阻器  13-17
    1.2.1 压敏电阻的电学特性  14-16
    1.2.2 压敏电阻主要性能参数  16-17
  1.3 WO_3薄膜的基本物理性质  17-19
    1.3.1 WO_3薄膜的晶体结构  17-18
    1.3.2 WO_3薄膜的非晶体结构  18-19
  1.4 WO_3薄膜的研究现状  19
  1.5 WO_3薄膜制备方法  19-22
  1.6 WO_3薄膜的应用前景  22-25
    1.6.1 电、光致变色性质  22-23
    1.6.2 气体传感材料  23-24
    1.6.3 压敏电阻材料  24
    1.6.4 可变发射率热控涂层材料  24-25
    1.6.5 光催化降解  25
    1.6.6 固溶体电极材料  25
    1.6.7 微波吸收材料  25
  1.7 影响WO_3压敏性能的主要因素  25-27
    1.7.1 结构的影响  26
    1.7.2 掺杂的影响  26-27
  1.8 本文的研究背景和意义  27
  1.9 本文的工作  27-29
第2章磁控溅射镀膜基本原理  29-37
  2.1 溅射现象及机理  29-30
    2.1.1 离子轰击固体表面所引起的各种效应  29-30
    2.1.2 溅射机理  30
  2.2 溅射镀膜的特点  30-31
  2.3 基本溅射镀膜类型  31-37
    2.3.1 直流溅射  31-32
    2.3.2 射频溅射  32-33
    2.3.3 反应溅射  33-34
    2.3.4 磁控溅射  34-37
第3章样品的制备及实验测试方法  37-43
  3.1 薄膜样品的制备  37-40
    3.1.1 磁控溅射沉积系统  37
    3.1.2 基材预处理方法  37-38
    3.1.3 磁控溅射法实验步骤  38-39
    3.1.4 WO_3薄膜的制备工作参数  39
    3.1.5 Co,Ce掺杂的WO_3薄膜的制备工作参数  39-40
  3.2 样品显微结构测试  40-42
    3.2.1 X射线衍射(XRD)分析  40-41
    3.2.2 扫描电镜分析(SEM)  41-42
  3.3 样品的厚度测试  42
  3.4 样品电学性能测试  42-43
第4章 WO_3薄膜的电学行为的研究  43-57
  4.1 cWO_3薄膜的制备过程  43-44
    4.1.2 不同溅射时间下薄膜的厚度  43-44
    4.1.3 不同溅射功率下薄膜的厚度  44
  4.2 相同退火时间不同退火温度对材料电学性能的影响  44-48
    4.2.1 相结构分析  44-45
    4.2.2 显微结构分析  45-46
    4.2.3 电学性能  46-48
  4.3 相同退火温度不同退火时间对材料电学性能的影响  48-50
    4.3.1 显微结构分析  48
    4.3.2 电流—电压(I-V)特性  48-49
    4.3.3 退火温度对压敏电压和漏电流的影响  49-50
  4.4 样品伏安特性的稳定性  50-51
  4.5 样品的复阻抗特性研究  51-53
    4.5.1 样品交流阻抗谱  53
  4.6 多晶和非晶WO_3薄膜非线性电学性质机理解释  53-55
  4.7 薄膜生长机理分析  55-56
    4.7.1 非晶薄膜的形成机理  55-56
    4.7.2 热处理时薄膜的生长机理  56
  4.8 本章小结  56-57
第5章 Co掺杂的WO_3薄膜的电学性质  57-65
  5.1 引言  57
  5.2 样品的制备  57
  5.3 显微结构  57-60
  5.4 相结构分析  60
  5.5 电—电压(I-V)特性  60-62
  5.6 掺Co对WO_3薄膜电学性能的影响  62-63
  5.8 非线性伏安特性稳定性分析  63-64
  5.9 样品交流阻抗谱  64
  5.10 本章小结  64-65
第6章 Ce掺杂的WO_3钨薄膜的电学性质  65-74
  6.1 引言  65
  6.2 显微结构  65-66
  6.3 相结构分析  66
  6.4 电流—电压(I-V)特性  66-67
  6.5 晶界特性分析  67-70
  6.6 掺Ce对WO_3薄膜电学性能的影响  70-72
  6.7 非线性伏安特性稳定性分析  72-73
  6.8 本章小结  73-74
总结  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84

磁控溅射法制备WO_3基薄膜及相关物理性能的研究

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