基于磁控溅射技术的氧化钛薄膜制备及其光电性能的构效关系研究

氧化钛是一种重要的光电材料，具有优异的化学稳定性、光催化性能以及光电转换效率，受到了广大研究者的关注。磁控溅射技术通过控制溅射过程中的磁场和电场，实现对溅射粒子能量、方向和沉积速率的精确调控 [1]。这种技术制备的氧化钛薄膜具有结构致密、均匀性好、与基底结合力强等优点。改变溅射参数和沉积条件，还可以实现对氧化钛薄膜成分、结构和性能的精确调控，满足不同领域的应用需求。光电性能是氧化钛薄膜的重要性能，通过磁控溅射技术制备的氧化钛薄膜，其光电性能受到多种因素的影响。因此，深入研究这些因素对氧化钛薄膜光电性能的影响机制，对于优化薄膜制备工艺、提高薄膜光电性能具有重要意义。

1、制备磁控溅射氧化钛薄膜

1.1 主要材料

利用磁控溅射技术制备氧化钛薄膜的主要材料有：1) 靶材。采用 TiO₂靶和 Ti 靶作为主要的溅射源。TiO₂靶材选择特定直径、厚度的圆靶，靶材的纯度应达到 99.9% 以上，以确保薄膜的质量和性能达到最佳状态；Ti 靶的尺寸可以根据设备需求进行选择，本文选择 100mm、特定厚度的规格，Ti 靶的纯度要求达到 99.9% 以上，以保证溅射出的原子纯净无污染。2) 溅射气体。本文采用 Ar (纯度 99.99%) 作为溅射气体，N₂(特定纯度) 和 O₂(纯度 99.99%) 作为反应气体。溅射室内的压力通常维持在 0.1~1Pa，这样的低真空环境有助于形成高质量的薄膜。当使用 Ti 靶进行溅射时，氧气的流量根据所需的氧化程度来调整。一般来说，氧气的流量控制在 1~20mL/min (标况下)。过多的氧气可能会导致薄膜的导电性下降，而氧气不充分则可能无法完全氧化 Ti [2]。3) 化学药品。丙酮、无水乙醇、异丙醇 (均为分析纯) 作为实验材料。选择靶材和严格控制溅射气体的流量和压力，可以制备出具有良好光电性能的氧化钛薄膜，为光电器件、太阳能电池等领域的应用提供重要的材料。

1.2 主要设备及仪器

在磁控溅射制备氧化钛薄膜的过程中，采用一系列高性能的设备及仪器，以确保实验的精确性和可靠性。表 1 为实验主要仪器设备。

表 1 实验主要仪器设备 实验主要仪器设备

磁控溅射机是制备薄膜的核心设备。MS-500 型磁控溅射装置为垂直式结构，在高真空条件下，可保证镀膜的纯度及稳定性。该装置由磁控溅射腔、磁控溅射靶、直流电源、射频电源和溅射室等组成，能够实现多种溅射模式，满足不同薄膜制备需求，无论是单层薄膜还是多层薄膜，都能实现纳米级的制备精度 [3]。此外，MS-500 型磁控溅射机还具备高度的自动化和智能化特点。通过精确的控制系统和智能监测系统，能够实时监控薄膜制备过程，自动调整参数，确保薄膜的质量和稳定性。

1.3 制备方法

1.3.1 基底的准备

用磁控溅射法生产二氧化钛膜时，基片的选用和制作是关键环节。本文采用北京中镜科仪科技股份有限公司研制的 5mm×10mm 单晶硅基片，将其切成 5mm×5mm 的薄片。基底的洁净度直接关系到膜与基底之间的粘接能力，若基板上有污物，在镀膜时会发生剥离，降低镀膜的品质及使用性能。制订一套严格的基板清洗工艺：用丙酮浸泡硅片及玻片，并用超声波冲洗 10min，使晶片及玻片上的油污及有机杂质全部清除 [4]；移除基片，把它浸泡在酒精中，进行持续 10min 的超声波洗涤，进一步清除表面和除去残留的丙酮；用氮气吹干衬底，确保表面无残留液体后，将其装入样品台。

1.3.2 溅射沉积

本文采用磁控溅射法制备薄膜，平面磁控溅射靶的工作原理如图 1 所示。

准备工作：1) 启动总电源和显示屏，打开镀膜室的放气阀，为接下来的操作准备适宜的环境；将所需的靶材精确安装到指定位置，将基片稳妥地放入基片架中。确定所有阀门均已紧密关闭后，关闭放气阀和镀膜室门，以确保镀膜室的密封性 [5]。

溅射沉积：1) 开启机械泵和旁抽阀，同时启动真空计电源，逐渐降低镀膜室内的压力，直至镀膜室压力降至 2.0Pa 以下，关闭旁抽阀，开启前级阀，等待大约 10~20s 后，打开分子泵电源；2) 旋转打开闸板阀，启动分子泵，继续抽真空，直至真空度≥2×10⁻⁴Pa，通入实验所需的气体，并根据实验方案设置各步骤的加热温度及时间。待加热温度达到预定目标后，调整闸板阀，使腔内气压稳定在 2.0~3.0Pa；3) 打开射频电源开关，设定溅射功率，启动溅射过程，此时，靶材开始起辉，进行时长为 10~20min 的预溅射，清洁靶材表面，去除可能存在的污染物；4) 预溅射结束后，调整气压至适宜的溅射气压，将衬底移至靶材上方，靶材表面的材料通过溅射沉积在基板表面，从而得到需要的膜层；5) 溅射镀膜完成后，在原气体氛围下进行原位退火处理，以促进薄膜的结晶和性能优化，待腔体自然冷却至室温后，取出样品并关闭设备，溅射沉积实验结束。

2、影响磁控溅射氧化钛薄膜光电性能的因素

2.1 靶功率

在不同的靶材能量下，薄膜透过率与膜层的厚度、致密性及表面粗糙度等因素相关。准备不同功率的靶材，设定靶功率分别为 50,100,150,200W。将不同功率的靶材安装到溅射枪上，确保靶材与衬底之间的距离适当，关闭镀膜室，启动真空泵，将镀膜室内的气压降至所需真空度。

光学带隙是描述材料电子结构的重要参数，能够反映材料的光电性能。使用紫外 - 可见分光光度计对制备的薄膜样品进行透射率测试，记录不同波长下的透射率数据。根据透射率数据，利用 Tauc Plot 法计算薄膜的光学带隙。采用阿基米德排水法，将薄膜样品置于特定液体中，通过测量样品排开液体的体积变化测量薄膜的实际密度，然后与同材质理论致密薄膜的密度进行对比，计算膜层的相对致密性，表 2 为不同靶功率下制备薄膜的参数。数据表明薄膜的光学带隙随靶材功率的增加而减小。这主要是由于溅射功率越大，膜层的结晶程度越高，晶界密度越小，可捕获的自由电子更少，这就降低了价带到导带间跃迁所需要的最低能量，也就是光学带隙的减小 [6]。试验数据表明靶功率对二氧化钛薄膜的光电性能具有显著影响。调整靶功率，控制薄膜的结晶度、晶界密度以及光学带隙等关键参数，可以优化薄膜的光电性能。

表 2 不同靶功率下薄膜的参数 不同靶功率下薄膜的参数

2.2 溅射温度

在磁控溅射系统中，设置不同的溅射温度，将不同溅射温度下制备的薄膜试样进行标记，试样 1 (低温，25~50℃)、试样 2 (中温，100~200℃)、试样 3 (高温，300~400℃)。其他溅射参数保持一致，分析温度对薄膜性能的影响。同一溅射温度，制备多个薄膜试样，以便进行后续的统计分析。

使用 X1700 紫外 - 可见分光光度计进行透射性和吸收性试验。测试波长范围设定为 300~1100nm。在研究二氧化钛薄膜的光学带隙时，使用 Tauc Plot (塔克图) 法来估算光学带隙值如图 2 所示。图中纵坐标轴为 ((αhν)¹/² 值，α 是吸收系数，h 是普朗克常量，ν 是光的频率。可以看出，随着溅射温度的变化，薄膜的光学带隙呈现出明显的变化趋势。在低温溅射条件下，薄膜的光学带隙较大，这可能是由于低温下薄膜结晶度较低，存在较多的缺陷所致 [7]。随着溅射温度的升高，薄膜的光学带隙逐渐减小，表明薄膜的结晶度和光电性能得到了一定程度的改善；当溅射温度达到高温范围时，薄膜的光学带隙达到最小值，此时薄膜的光电性能达到最优状态。综上所述，溅射温度对氧化钛薄膜的光电性能有显著影响。

2.3 真空度

设定真空度分别为 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2Pa 条件下制备 TiO₂薄膜。使用椭圆偏振仪或其他合适的方法对不同真空度条件下制备的 TiO₂薄膜进行折射率测试，绘制不同真空度条件下薄膜折射率曲线如图 3。使用紫外可见分光光度计对不同真空度下沉积的薄膜进行透光率和反射率测试。测试数据表明：随着真空度的降低，薄膜的折射率呈下降趋势，堆积密度也相应降低 [8]。这是由于真空度的降低导致溅射原子的平均自由程减小，沉积在基体表面的原子迁移率降低，薄膜孔隙率增加。同时，氧分压的提高也进一步降低了薄膜的堆积密度。因此，真空度对 TiO₂薄膜的光学性能具有显著影响。调整真空度，控制薄膜的折射率有利于优化薄膜的光学性能。

3、结论

本文对磁控溅射氧化钛薄膜的光电性能进行研究，分析制备过程中靶功率、溅射温度以及真空度对氧化钛薄膜光电性能的影响。试验结果表明，调整溅射参数和沉积条件，可以有效地改善薄膜的光电性能。未来应深入研究更多的影响氧化钛薄膜光电性能的因素及其作用机制，为实际应用提供更多可能性。

参考文献

[1] 纪建超，颜悦，陈宇宏，等。在 PMMA 上低温沉积 TiO₂薄膜的光学性能及显微结构 [J]. 中国塑料，2024 (3):7-12.

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