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用原位纳米测试系统研究SnO_2类薄膜材料的硬度

作　者: 王鑫
导　师: 刘世民
学　校: 燕山大学
专　业: 材料学
关键词: SnO2类薄膜第一性原理原位纳米测试系统薄膜的硬度维氏显维硬 CVD PVD
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

SnO₂类TCO薄膜,是较早投入商业用途的透明导电氧化物薄膜材料,常用来做Low-E玻璃及显示器件、薄膜太阳能电池中的前电极。对此类薄膜材料的物理化学性能,特别是薄膜的硬度的了解,是薄膜应用及其性能维护的前提条件。进而才能正确有效的选择适合的薄膜隔垫及防腐材料。本论文是以得到薄膜的硬度为目标,从材料设计的角度出发,采用第一性原理的密度泛函理论对SnO₂及SnO₂:Sb模型的内聚能,键长和布局数进行计算,最终得到此类材料的理论硬度;采用了原位纳米测试系统和维氏显微硬度计测试了薄膜的膜基复合硬度,分别利用弹性球数学模型和Meyer法分离出了薄膜的硬度值,并与理论值进行比较。在测试薄膜的硬度过程中,采用X射线荧光光谱仪（XRF）测定了薄膜的成分;X射线衍射仪（XRD）分析了薄膜的晶体结构;用扫描电子显微镜（SEM）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）及原子力显微镜（AFM）观察了薄膜表面形貌;用表面轮廓仪测试了薄膜的厚度。理论研究结果表明,具有金红石结构、未掺杂其他元素的SnO₂单胞与2×2×2 SnO₂超晶胞的硬度值一样大,均为13.46±0.02GPa,且比掺杂Sb原子后的SnO₂硬度值高。在2×2×2的SnO₂超晶胞中,其硬度值随着Sn被Sb原子替换的个数增加而下降。用原位纳米测试系统测试了工业化在线CVD法制备的SnO₂:Sb（ATO）薄膜的硬度。当薄膜为四方金红石结构时,晶格常数大,其硬度值相对较低。考虑到薄膜表面的粗糙度会影响薄膜硬度的测试结果,本论文则采用了弹性球数学模型,从1#³#样品的膜基复合硬度中分离出了薄膜材料的硬度,分别为13.10GPa、17.25GPa、20.25GPa。对于用PVD法制备的4#、5#SnO₂类薄膜,则用维氏显维硬度计并结合Meyer法分离出薄膜的硬度为13.47GPa、18.58GPa。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-26
  1.1 SnO_2 类薄膜  10-19
    1.1.1 TCO 薄膜  10-11
    1.1.2 SnO_2 类TCO 薄膜  11-13
    1.1.3 SnO_2 薄膜的应用  13-16
    1.1.4 SnO_2 类薄膜的制备  16-19
  1.2 薄膜的硬度  19-25
    1.2.1 研究薄膜硬度意义  19-20
    1.2.2 测试薄膜硬度的方法分类  20-22
    1.2.3 测试薄膜硬度的仪器  22-25
  1.3 本章小结  25-26
第2章 SnO_2类薄膜材料硬度的第一性原理计算  26-34
  2.1 计算中的理论基础及算法  26-27
  2.2 计算模型的建立和计算参数的选择  27-29
    2.2.1 SnO_2 类薄膜的成分设计  27
    2.2.2 SnO_2 及SnO_2：Sb 等模型的建  27-29
    2.2.3 实验参数的选定  29
  2.3 计算结果分析  29-33
    2.3.1 晶格常数的变化  29-30
    2.3.2 能量的变化  30
    2.3.3 硬度的计算  30-33
  2.4 本章小结  33-34
第3章用原位纳米测试系统测试SnO_2薄膜材料的硬度  34-65
  3.1 测试薄膜所用的设备与方法  34-39
    3.1.1 薄膜的成分分析  34-35
    3.1.2 薄膜的结构分析  35-36
    3.1.3 薄膜厚度的分析  36
    3.1.4 薄膜表面形貌的分析  36-39
  3.2 用原位纳米测试系统测试样品的薄膜硬度  39-49
    3.2.1 用原子力显微镜观察样品样品的表面形貌  40-42
    3.2.2 测试样品的薄膜硬度  42-49
  3.3 用弹性球模型分离样品薄膜的硬度  49-54
  3.4 用 PVD 法制备的 SnO_2 薄膜的硬度测试  54-63
  3.5 本章小结  63-65
结论  65-66
参考文献  66-72
在攻读硕士学位期间承担的科研任务与研究成果  72-73
致谢  73-74
作者简介  74

用原位纳米测试系统研究SnO_2类薄膜材料的硬度

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