一种具有太赫兹波段可控透射率的掺钼氧化锌薄膜的制备方法技术

本发明专利技术属于透明导电薄膜技术领域，具体为一种在太赫兹波段具有可控透射率的掺钼氧化锌薄膜的制备方法。本发明专利技术利用反应直流磁控溅射及退火技术调控掺钼氧化锌薄膜在太赫兹波段的光学特性，具体为：利用反应直流磁控溅射方法，以锌钼金属镶嵌靶为靶材，以石英玻璃为基板，用Ar离子轰击靶材，形成具有多晶结构的掺钼氧化锌薄膜。然后在特定条件下退火，调节掺钼氧化锌薄膜在太赫兹波段的透射率。本发明专利技术方法工艺稳定性好，具有工业生产前景。

Method for preparing molybdenum doped Zinc Oxide film with controllable transmissivity in terahertz band

The invention belongs to the technical field of transparent conductive film, in particular to a preparation method of a Molybdenum Doped Zinc Oxide film with controllable transmissivity in the terahertz band. The optical properties, the invention uses reactive DC magnetron sputtering and annealing technology to control the Zinc Oxide Molybdenum Doped thin films in THz band in particular: by reactive DC magnetron sputtering method, with zinc and molybdenum metal mosaic as the target on quartz glass substrate by ion bombardment of the target Ar, the formation of Molybdenum Doped thin films have a polycrystalline structure of Zinc Oxide. Then, under certain conditions, the transmission of Molybdenum Doped Zinc Oxide film in terahertz band is controlled by annealing. The method has the advantages of good technological stability and promising industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种具有太赫兹波段可控透射率的掺钼氧化锌薄膜的制备方法
本专利技术属于透明导电薄膜
，具体涉及一种用反应直流磁控溅射法制备在太赫兹波段具有可控透射率的掺钼氧化锌透明导电薄膜的方法。
技术介绍
透明导电氧化物(TCO)薄膜是一种高简并的半导体材料，以其独特的透明性与导电性结合于一体而广泛应用于光电器件领域如平板显示器和太阳能电池等。其中最具代表性的材料是In2O3:Sn(ITO)、SnO2:F和ZnO:Al(AZO)薄膜。透明导电薄膜材料一般具有高的载流子浓度，费米能级（EF）位于导带能级（EC）以上，电阻率可低至10-4Ω·cm；而且具有宽的禁带宽度（>3eV），使薄膜在可见光及近红外光范围具有高的透射率（>80%）。目前的透明导电薄膜的载流子浓度已经达到1.5×1021cm-3，接近上限2×1021cm-3，因此通过进一步提高载流子浓度来降低电阻率已经很困难，并且很高的载流子浓度会严重影响到透明导电薄膜的光学性能。高价态元素(如Mo、W等)的掺杂提供了解决这一问题的一个新的途径，即通过提高载流子迁移率而非载流子浓度来提高透明导电薄膜的电导率。因此，制备具有高价态差的掺钼氧化锌ZnO：Mo(ZMO)透明导电薄膜具有很大应用价值。太赫兹波是介于微波和红外辐射之间的电磁辐射，近年来，得益于超快光电子技术和低维半导体技术的发展，为太赫兹波段提供了合适的光源和探测手段，太赫兹科学与技术才得到迅猛发展，可应用于成像、近场显微、无损探伤、安全检测、生物医学、军事等领域。与可见、红外光类似，太赫兹波的应用也需要合适的光学器件，如增透膜、反射镜、分光镜等，这要求开发可用于太赫兹波段的新型光学材料。金属具有很高的电导率，电磁波在其表面几乎完全反射，可制作反射镜。此外金属还可用于波导，由于脉冲太赫兹波包含了宽频率范围的电磁波，因此要选取群速度色散小的波导。K.Wang报道金属线波导[1]，利用金属表面等离子体振荡相互耦合作用，太赫兹波被金属线束缚沿该金属线传播，在此情况下电磁波与金属表面的作用面积极小，因此大大降低了传输损耗。超薄的金属薄膜还可用于宽带太赫兹波的阻抗匹配层以减小器件表面的反射太赫兹波[2-3]。用不同电导率的掺杂氧化锌导电膜替代金属膜，可制备宽带太赫兹波的阻抗匹配层，同样达到了理想的效果[4-5]。掺杂氧化锌薄膜随着载流子浓度的增加，其界面反射太赫兹波发生π相位位移，当载流子浓度在一个特定值时，反射波会完全消失，可用于太赫兹器件的防反膜。这和在超薄金属膜中观测到的结果类似，值得注意的是，在金属膜中可调节的参数只有厚度，而氧化物薄膜中可调节的参数除了厚度[6]外还有载流子浓度(电导率)，这说明用导电半导体氧化物薄膜不仅可代替金属膜，而且可以比金属膜在太赫兹波调控上更具优势。除了上述阻抗匹配的宽带减反膜外，还需要一些具有特定透射性能的器件。在此我们提供一种不同于控制载流子浓度[4-5]或膜层厚度[6]的新方法，在由锌钼镶嵌靶[7]反应直流磁控溅射制备掺钼氧化锌薄膜后再采用退火工艺改变太赫兹波段的透射性能，实现在太赫兹波段具有可控透射率的光学器件要求。参考文献：[1]KWang,MMittleman,Nature,2004,432:376[2]JKroll,JDarmo,andKUnterrainer2007Opt.Express156552[3]AThoman,AKern,HHelm,andMWalther2008Phys.Rev.B77195405[4]GuohongMa,DongLi,HongMa,JieShen,ChenguoWu,JinGe,ShuhongHu,NingDai,“CarrierconcentrationdependenceofterahertztransmissiononconductingZnOfilms”,Appl.Phys.Lett.2008,93:211101[5]吴臣国，沈杰，李栋，马国宏，“掺钼氧化锌透明导电薄膜的太赫兹电磁波传输性质”，《物理学报》，2009，58(12)：8623[6]罗胜耘，沈杰，马国宏，李栋，“膜厚对导电氧化锌宽带抗反射涂层的太赫兹传输影响”《真空科学与技术学报》，32(8)，2012：717-721[7]沈杰，王三坡，章壮健，“一种用于反应直流磁控溅射的锌钼金属镶嵌靶”，CN200720075387.2.。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种具有工业生产性、工艺稳定性好的制备在太赫兹波段具有可控透射率的掺钼氧化锌透明导电薄膜的方法。本专利技术提出的制备掺钼氧化锌薄膜的方法，具体步骤为：（1）在基板温度为20~300℃条件下，以锌钼金属镶嵌靶(CN200720075387.2)为靶材，以石英玻璃为基板，通过反应直流磁控溅射法，用Ar离子轰击靶材进行溅射，溅射电流150~300mA，溅射电压100~400V，反应室内的气体为氧氩混合气体，溅射时压强为0.45~2.5Pa，其中O2反应气体的分压百分含量为4.0～20.0％，溅射时间40~100分钟，形成具有多晶结构的掺钼氧化锌薄膜；（2）然后，在特定气氛(大气或氩气或氮气或真空)条件下退火，退火时间为15~240min，退火温度为100~600℃，得到在太赫兹波段具有可控透射率的掺钼氧化锌透明导电薄膜。本专利技术的制备条件如下：本专利技术中，基板温度为20~300℃。本专利技术的溅射靶为锌钼镶嵌靶，具体见中国专利CN200720075387.2。锌钼镶嵌靶中，Mo:Zn的原子比为0.5%~5%。本专利技术中，反应室内的气体为氧氩混合气体，溅射时压强为0.45~2.5Pa，其中O2反应气体的分压占总气压的4.0～20.0％。本专利技术中，反应直流磁控溅射时，溅射电流150~300mA，溅射电压100~400V，溅射时间40~100分钟。本专利技术方法制得的掺钼氧化锌薄膜厚度为100~250nm，可根据需要，通过控制溅射时间来控制膜厚。本专利技术中，退火气氛为大气或氩气或氮气或真空，其中真空退火时气压为10-2~10Pa，其他均为1个大气压。本专利技术中，退火温度为100~600℃，退火时间为15~240min。优选退火温度为400~500℃，退火时间为60~240min。实验结果表明，用反应直流磁控溅射的方法制备的掺钼氧化锌薄膜具有低电阻率（1.2×10-3Ω·cm）和高可见光透射率（>80%），在退火处理后具有可控的太赫兹波段透射率。本专利技术方法工艺稳定性好，具有工业生产前景，是一种制备在太赫兹波段具有可控透射率的掺钼氧化锌透明导电薄膜的新方法。附图说明图1未退火的掺钼氧化锌薄膜的电阻率。其中，(a)在不同的基片温度下制备的薄膜电阻率。(b)在不同氧分压下制备的薄膜电阻率。图2退火时间为60min时大气下不同退火温度对掺钼氧化锌薄膜的太赫兹脉冲透射及薄膜方阻的影响。其中，(a)太赫兹脉冲透射场强；(b)薄膜方阻。图3退火温度为250℃时大气下不同退火时间对掺钼氧化锌薄膜的太赫兹脉冲透射的影响。具体实施方式实施例1，制备掺钼氧化锌靶：在450℃的温度下将纯度为99.99%的Zn金属熔融成靶，均匀对称地嵌入同样纯度为99.99%的钨丝2at%制备而成，靶直径为60mm，厚度为3mm。基片为石英，先后经过纯水、酒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有太赫兹波段可控透射率的掺钼氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤为：（1）在基板温度为20~300℃条件下，以锌钼金属镶嵌靶为靶材，以石英玻璃为基板，通过反应直流磁控溅射法，用Ar离子轰击靶材进行溅射，溅射电流150~300mA，溅射电压100~400V，反应室内的气体为氧氩混合气体，溅射时压强为0.45~2.5Pa，其中O

【技术特征摘要】
1.一种具有太赫兹波段可控透射率的掺钼氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤为：（1）在基板温度为20~300℃条件下，以锌钼金属镶嵌靶为靶材，以石英玻璃为基板，通过反应直流磁控溅射法，用Ar离子轰击靶材进行溅射，溅射电流150~300mA，溅射电压100~400V，反应室内的气体为氧氩混合气体，溅射时压强为0.45~2.5Pa，其中O2反应气体的分压百分含量为4.0～20.0％，溅射时间40~100分钟，形成具有多晶结构的掺钼氧化锌薄膜；（2）然后，在大气或氩气...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈杰，郑明扬，任锦华，靳琦，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31