透明导电ITO薄膜的制备及其在微波屏蔽与吸收材料中的应用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuanlaiyizhizailiula
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随着信息技术的快速发展和微波的广泛使用,高效微波屏蔽及吸收材料的研究开发成为人们日益关注的重要课题。传统的微波屏蔽及吸收材料对于可见光不透明,难以满足日益发展的实际应用需求。掺锡氧化铟(ITO)薄膜作为一种优秀的透明导电n型半导体薄膜,具有较高可见光透过率、独特的电学性能等优势。结合ITO的上述特性,将其引入微波屏蔽与吸收材料中,通过独特的结构设计,能够实现材料对微波的屏蔽或者吸收效果。  对于应用在微波吸收材料中的ITO薄膜,要求其既具有高的可见光透过率,又具有特定数值的方块电阻阻值,这就需要实现磁控溅射ITO薄膜的阻值可控。目前关于ITO薄膜的电学性能,主要集中在降低ITO薄膜方块电阻以获得极低阻值的研究,而不是在方块电阻调节的方向上。为了满足微波吸收材料的设计要求,实现ITO薄膜的方块电阻可控制备,本文对低温制备ITO薄膜工艺中影响薄膜阻值的主要因素进行了研究,并对ITO薄膜的高温处理、ITO薄膜微波屏蔽及吸收材料的设计制备与表征、微波吸收表征手段等方面进行了系统的研究。  以ITO(9∶1)靶材直流磁控溅射设备低温沉积获得ITO薄膜。本文中阐述了溅射功率、溅射时间、氧流量等参数对ITO薄膜微观结构的影响,基于对ITO薄膜微观结构的系统分析,揭示了低温溅射制备工艺过程中ITO薄膜阻值的变化规律,发现了氧流量参数在低温溅射制备ITO薄膜的阻值控制中具有决定性作用。以实现ITO薄膜的阻值可控制备为目标,首次提出通过氧流量单参数调节实现低温溅射制备ITO薄膜阻值宽幅调节的方法。根据氧流量调节ITO薄膜阻值的方法,制备得到方块电阻分别为115Ω/□和255Ω/□的ITO薄膜,其偏差范围均在6.2%以内,实现了ITO薄膜阻的值可控制各。  通过衬底加热和退火处理来提高ITO薄膜的导电性能。本文中系统研究了高温溅射制备ITO薄膜中衬底温度对ITO薄膜微结构和光电性能的影响,结果表明衬底温度增高导致的薄膜结晶程度增强,载流子散射中心减少是薄膜阻值降低的主要原因。系统研究了退火工艺对ITO薄膜电学性能的影响,提出了影响薄膜阻值的复合机制:(1)氧化气氛退火导致的Sn离子价态提高,能够增大薄膜载流子浓度,降低薄膜阻值;(2)还原气氛退火导致的薄膜表面与界面吸附态氧的脱附,能够减少载流子散射中心,降低薄膜阻值。基于薄膜阻值的复合影响机制,实验制备了特定低阻值的ITO薄膜,能够满足多层ITO薄膜微波屏蔽及吸收材料的设计要求。  利用HFSS仿真软件,对基于ITO薄膜的透明微波屏蔽材料和透明微波吸收材料的结构设计进行模拟计算,探索薄膜方阻、玻璃厚度及介电常数对微波吸收效果所起的作用。同时,优化了弓形测试法对材料吸波性能进行表征的测试手段,并对实际制备得到的透明微波屏蔽、吸收材料进行微波性能的表征。制各了一种基于介质层/ITO/介质层三明治结构的透明微波屏蔽材料,其在2~18GHz频率范围内的微波屏蔽能力优于-26dB,可见光透过率达75%。制备得到一种双层复合结构透明宽频微波吸收材料,其在C波段的微波吸收性能优于-10dB,可见光透过率大于70%。
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