磁控濺射在PET上制備Fe薄膜及性能研究

南京郵電大學 李令斌 張 超 葉 帥

隨著自旋電子學的發展，在各種襯底上制備導電薄膜成為越來越多人研究的內容，基于柔性材料PET耐高溫、價格便宜、資源豐富等優良特性，在柔性襯底PET材料上，通過磁控濺射的技術，以Fe為靶材制備薄膜，通過研究不同濺射時間對薄膜X射線衍射圖譜的不同，我們得出濺射時間對薄膜的結構形成并無明顯的影響，鑒于這一實驗結果，我們制定下一步實驗計劃，研究濺射壓強對薄膜影響。

引言：柔性導電透明薄膜具有重量小、體積占比小、易于折疊和方便攜帶的特點，在生活中，已經被廣泛地應用在塑料薄膜太陽能電池、不易碎熱反射鏡、液晶顯示屏和一些柔性的電光材料等領域。對于導電薄膜的制備，通常會在薄膜額材料和襯底的材料兩方面進行選擇，由于我們研究的是柔性襯底上制備透明導電薄膜，對于薄膜材料，我們需要其具有良好的光電性能的同時，還要關注其有無毒性、資源的價格和制作成本等特點；對于襯底的選擇，我們要求其成膜溫度盡可能低，這就要求所選用的柔性襯底需要具有耐高溫的特性，另外對其透明性也有一定的要求，透明度越高越好。

自旋電子學，也被稱為自旋電子，是本征的研究自旋的電子和其相關聯的磁矩，除了其基本電子電荷，在固態設備。自旋電子學與傳統電子學的根本區別在于，除電荷狀態外，電子自旋還被用作進一步的自由度，對數據存儲和傳輸的效率有影響。自旋電子系統通常在稀磁半導體（DMS）和赫斯勒合金中實現，并且在量子計算領域中特別受關注。

近年來，自旋電子學的不斷發展，人們已經發現自旋電子學相關的特性及使用場景，這使得對自旋電子學相關的薄膜特性研究變得更加急需，本文從自旋電子學和柔性薄膜材料兩個角度結合考慮，使用磁控濺射技術在PET薄膜上制備Fe薄膜，進而研究濺射時間對薄膜性能的影響，并得出相關結論。

1.研究現狀

周強等人在PET柔性襯底上做了薄膜沉積的實驗，其在室溫下在PET通過沉積實驗，成功制備了具有低電阻率的CdO導電薄膜，經過實驗驗證，該薄膜具有良好的導電能力和不錯的結晶能力，但實驗驗證其薄膜的波長透過性能指標不高，從而得出薄膜不能在發光器件及全色顯示中應用的結論。

王新在玻璃襯底和柔性PET襯底上做了薄膜沉積實驗，其實驗中在相同的環境下，制備了導電ITO薄膜，進而對比在不同襯底不同的情況下，薄膜特性會不會發生大的差異。通過分別對其實驗制備薄膜的結構和光學特性及電學性能的分析，關于生長性質的比較，PET襯底上生長的薄膜樣品性質相比玻璃襯底上生長的薄膜樣品有稍許的差距，但差別很小；關于透光率的分析，PET襯底上生長的ITO薄膜透光率高達87%，此性能遠遠高于在玻璃襯底上生長的ITO薄膜的透光率，并且PET在導電方面也非常優秀，電阻率可以達到4.7×10-4。

劉漢法在水冷柔性PET襯底上做了薄膜沉積實驗，其在室溫下在水冷柔性PET襯底上，通過改變濺射壓強，制備了高質量的TZO導電透明薄膜。經過實驗結果分析，發現濺射壓強對柔性TZO薄膜的結構、應力、電光學特性均會產生不同程度地影響。在分析薄膜的結構特性后，發現柔性TZO薄膜是六角纖鋅礦結構的多晶膜，該結構C軸擇優取向。濺射壓強為5Pa是制備的TZO薄膜具有最小的電阻率，所有樣品的可見光光學透過率均大于91%，濺射壓強為6Pa時樣品薄膜的應力最小為0.785GPa。實驗制備的柔性PET襯底TZO透明導電薄膜在柔性液晶顯示屏、塑料薄膜太陽能電池和柔性電光學器件領域有很好地應用前景。

2.實驗

關于磁控濺射技術，我們可將其劃分成三類，射頻磁控濺射技術、直流磁控濺射技術及中頻磁控濺射技術。射頻磁控濺射的電流很大，這使得濺射速率高，膜層和基體的附著力較強，電子向基片的入射能量較低，進而避免基片溫度偏高的問題，由于裝置結構等復雜多樣，其設備也要求與屏蔽、絕緣、電極冷及復雜的相關的網絡等部件一同使用，這種結構設計就造成射頻磁控濺射儀器的費用成本偏高，故不經常用于工業生產當中。

相較射頻磁控濺射，直流磁控濺射的裝置要簡單的多，通常在300～1000V，特點是濺射速率快，造價低，后期維修保養便宜。但只能濺射金屬靶材，如果靶材是絕緣體，隨著濺射的深入，靶材會聚集大量的電荷，導致濺射無法繼續。因此對于金屬靶材通常用直流磁控濺射，由于造價便宜，結構簡單，沒有復雜的網絡匹配裝置和昂貴的射頻電源裝置，這使得它的價格相對低廉，在工業上已經得到了大量使用。但是其不可忽略關鍵問題是，在其使用過程中，靶中毒的現象時有發生，故這就要求在制備過程中，要對其反應氣體流量的進一步把控。中頻磁控濺射的電源價格比射頻磁控濺射低，靶材為平面靶或者旋轉靶，對靶材材質沒有要求，制備時有較高的利用率，經過研究發現，關于其靶材的最高利用率，可達到70%以上，并且其制備時濺射的速率快，它抵御靶中毒的能力很強，且工作穩定，沒有打弧現象，濺射速率快。

本論文采用直流磁控濺射技術制備柔性襯底薄膜。實驗靶材選擇為鐵靶，其靶材純度為99.9%，選用柔性PET材料做襯底，濺射氣體為氬氣（99.995%），反應氣體為氮氣（99.995%）。如圖1為建設過程的具體流程圖，關于磁控濺射環境，其腔體中的壓強為8×10-5Pa，反應時壓強為0.5Pa。對于本文所研究的樣品，濺射時間作為變量，氮氣流量和溫度保持不變。濺射時Fe靶的電源功率為100w，直流濺射時間分別為為7.5min、15min、30min、60min。

圖1 磁控濺射過程流程圖

3.結果分析

對于制備的樣品，我們采用XRD技術對其分析。XRD(X-Ray Diffraction)通常用來對物質晶體結構進行分析。其原理是X射線與原子產生相互作用，發生衍射現象，由于晶體的原子結構、排列方式不同，產生的衍射現象也不同。我們可以通過對其衍射圖譜的分析進而對原子的結構、形態進行研究。

如圖2所示，是Fe/PET薄膜樣品的XRD衍射圖譜。橫坐標是2θ，縱坐標是對數坐標。從衍射圖譜中我們可以看到，最強的兩個衍射峰分別為Fe和PET襯底。

通過比較不同濺射時間的XRD圖譜可知，圖譜中顯示，在不同的濺射時間下生成的薄膜結構中，衍射峰位置大致相同，故得出結論，濺射時間對薄膜的結構形成并無明顯的影響。鑒于這一實驗結果，我們將進行下一步實驗，探索濺射時壓強對薄膜的形成的影響。

圖2 Fe/PET薄膜樣品的XRD衍射圖譜