鍺-導電氧化物光學薄膜制備及性質.pdf

1、近年來哈佛大學的研究者提出了一種新型亞波長光學涂層，打破了高吸收介質會破壞光干涉效應以及光學薄膜厚度必須為光波長的1/4及其倍數(shù)等傳統(tǒng)觀點，當高吸收介質層為5~25 nm時，干涉現(xiàn)象仍然存在，可以實現(xiàn)對入射光不同波段的選擇性吸收從而顯色，且具有對表面粗糙度不敏感、受入射角度影響不大等優(yōu)點。這種新型的高吸收介質/導電層光學薄膜體系開辟了一條新的光學薄膜研究路線。另一方面，傳統(tǒng)光學薄膜的制備通常需高真空、精密機械設備，或者需要的源為昂貴的大

2、分子金屬有機物，制備成本較高。金屬有機物沉積(Metal Organic Deposition，簡稱 MOD)法設備簡單，不要求真空環(huán)境，沉積效率較高，原材料利用率高，而且薄膜的組分容易控制，更重要的是可大面積均勻成膜，適合大規(guī)模的工業(yè)生產，因此使用金屬有機物沉積法來制備光學薄膜具有很好的商業(yè)前景。
　　介質/金屬復合薄膜結構是應用得最廣泛的光學結構之一，靈活運用這種結構，可以實現(xiàn)例如高反射膜中的完美鏡面、濾光膜中的法布里-珀羅干

3、涉儀結構等許多高級光學薄膜的功能。傳統(tǒng)光學結構是通過改變介質層的性質從而改變整體光學性能，由于導電層的性質對介質/導電層光學薄膜體系的性能也有較大影響，為此，本論文針對高吸收Ge/導電薄膜體系，選擇不同類型的導電材料，研究導電層性質對光學薄膜性能的影響。具體地，采用零電阻的釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7-δ，簡稱YBCO)超導薄膜作為完美電導體，以及鎵鋅氧合金(GaZnO compound，簡稱GZO)透明導電薄膜來代替 Au反射層，圍繞

4、 Ge/YBCO、Ge/GZO體系的光學性能變化和可能應用，論文開展了如下研究：
　　(1)采用MOD法在鋁酸鑭(LaAlO3，簡稱LAO)單晶上制備YBCO超導薄膜，系統(tǒng)研究工藝參數(shù)(低溫熱處理升溫速率、高溫熱處理溫度、氧濃度、水分壓、氣流速度、過渡溫區(qū)升溫速率)對YBCO薄膜結構和性能的影響，通過調節(jié)過渡溫區(qū)升溫速率消除a軸，穩(wěn)定地制備出了Jc≥1.8 MA/cm2的高性能的YBCO薄膜。為了降低基片成本和未來的柔性光學器件應

5、用，在Ni-W基帶上研究了鋯酸鑭(La2Zr2O7，簡稱LZO)緩沖層的MOD制備。為了提高YBCO薄膜性能，通過納米非晶Y2O3薄膜對LAO基片表面修飾實現(xiàn)磁通釘扎，從而在提高YBCO薄膜厚度、保證YBCO薄膜對光的零透射的同時保持高性能。
　　(2)采用MOD法制備GZO透明導電薄膜，系統(tǒng)研究了生長溫度、膜厚、Ga濃度等因素對薄膜結構、形貌、光學性能、電學性能的影響，成功制備了在可見光區(qū)的透光率大于85％，電阻率為5.42×1

6、0-3Ωcm的GZO透明導電薄膜，并通過改變前驅液成分制備了ZnO薄膜、紫外吸收的Ga2O3薄膜以及MOD-Ga2O3基日盲紫外探測器。
　　(3)對Ge/Au體系進行重復驗證，變換Ge膜厚度，得到反射率隨Ge厚度變化的顯色效應，并通過計算與實驗測試的反射率對比，發(fā)現(xiàn)計算結果很好地吻合實驗結果。接著改變可見吸收的介質層Ge膜為紫外吸收的Ga2O3薄膜，發(fā)現(xiàn)了與Ge/Au體系類似的規(guī)律：隨Ga2O3薄膜厚度改變，紫外光區(qū)的反射率峰位

7、發(fā)生了偏移，成功地將亞波長光學薄膜的應用范圍擴展到紫外波段。
　　(4)將全反射Au層換成YBCO超導薄膜，研究了Ge/YBCO體系的光學性能。發(fā)現(xiàn)室溫下YBCO為可見光區(qū)接近全吸收的材料，與預期的理想電導體全反射不同。隨著Ge膜厚度的增加，Ge/YBCO體系的反射率下降降低，吸收率增大。Ge/YBCO薄膜體系具有近90%的吸收率，且隨著溫度降低吸收進一步增大，有望應用于太陽能電池吸收層、超薄光探測器等領域。Ge/YBCO光學體系

8、可能在紅外-遠紅外、太赫茲領域有應用，這是下一步研究的方向。
　　(5)將全反射Au層換成透明導電GZO薄膜，研究新型的Ge/GZO體系的反射、吸收光學特性。發(fā)現(xiàn)GZO薄膜電阻率較小(10-3Ωcm量級)時，隨Ge膜厚度變化的反射率出現(xiàn)峰位偏移現(xiàn)象并因此顯色，加上GZO薄膜能有效地吸收紫外光，成功地實現(xiàn)了具有裝飾效果的紫外太陽鏡功能。針對Au是對可見光波段全反射的材料，沒法透過可見光，Ge/Au體系的應用局限于裝飾領域的缺點，將不