ITO薄膜的微结构及其分形表征

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1、http://www.paper.edu.cn∗ITO薄膜的微结构及其分形表征121111孙兆奇，吕建国，蔡琪，曹春斌，江锡顺，宋学萍1.安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥（230039）2.合肥师范学院物理与电子工程系，安徽合肥（230061）E-mail：szq@ahu.edu.cn摘要：采用直流磁控溅射法制备氧化铟锡（ITO）薄膜，用XRD、TEM和分形理论测试和分析了不同退火时间ITO薄膜的微结构。XRD分析表明：退火时间持续增加，薄膜的晶4+2+格常数先减小后略有增大，这是薄膜中Sn取代Sn导致晶格常数

2、减小和压应力不断释放导致晶格常数增大共同作用的结果。分形研究表明：分形维数随退火时间的延长先减小后增大，说明薄膜中平均颗粒尺寸先减小后增大，与XRD的研究结果一致。关键词：氧化铟锡（ITO）薄膜，微结构，分形，XRD中图分类号：O4841.引言氧化铟锡（ITO）薄膜具有可见光的高透过率（>80%）、红外的高反射率、低电阻率-3-4（10~10Ω·cm）和较宽的能隙（3.6~3.9eV）等优良的光电特性，是一种性能优异的宽禁带[1][2][3,4]半导体功能薄膜，被广泛地应用于太阳能电池、平板显示器、液晶显示器、电致

3、变色显示器、高层建筑物玻璃窗等光电子器件。对高性能的ITO薄膜材料的研究一直是材料科学研究的重要前沿领域，受到国际上的高度重视；薄膜材料的性能与其微结构及组分密切相关，同样，ITO薄膜的光电特性强烈地依赖于薄膜的微结构、化学组分和杂质性质。薄膜的生长过程通常远离平衡态，形成的随机性很大，具有复杂的非规则微结构，如何准确地表征薄膜的非规则微结构一直是材料科学研究中的重要课题。分形理论可用于对材料显微图像的定量表征，分形的一个重要特征是具有自相似结构，即局部的形态和整体的形态相似；具有自相似结构的图像之分形，分形维数是

4、描述分形结构[5]的重要几何参数。万明芳等利用分形理论研究了纳米硅薄膜的表面形貌，得出分形维数D与薄膜微结构参数之间的关系，发现薄膜在纳米尺度上的微观形貌呈现出分形特征。王渊等[6]利用功率谱密度法分析铜钨薄膜生长表面形貌的分形维数；结果表明薄膜厚度增加，分形[7]维数增大，电阻率随维数的增大而升高。吴润等用分形维数对纳米ZnO晶须的形貌进行表征，发现其比表面积与分形维数呈指数关系。本文利用XRD、TEM等测试技术，研究退火时间对直流磁控溅射薄膜微结构的影响，并利用分形理论定量表征薄膜非规则微结构的变化规律。2.实

5、验方法采用直流溅射法制备厚度为120nm的氧化铟锡（ITO）薄膜。氧化铟锡（wt.90%In2O3+wt.10%SnO2）靶材的纯度为99.99%，基片为经丙酮溶液及超声波清洗的载波片（10×10×2mm）和400目覆碳Formvar膜铜网，靶基距60mm，基片温度为室温，真空-4室中本底真空为6.0×10Pa，Ar气分压1.0Pa，溅射电压为DC320V，溅射电流为0.14A，薄膜的平均沉积速率约为0.8nm/s。在空气条件下对所制备的薄膜进行热处理，退火温度在∗本文得到国家自然科学基金(批号：50642038)

6、、教育部博士点专项基金（批号：20060357003）、安徽省科技厅重点项目(批号：05021028)、安徽省人才专项基金(批号:2004Z029)及安徽大学人才队伍建设基金资助课题的资助。-1-http://www.paper.edu.cn300℃，保温时间分别为0.5h、1h、2h和3h，退火后自然冷却。用MACM18XHF型X射线衍射仪得出不同退火时间ITO薄膜X射线衍射谱，采用CuKα射线源，波长为0.154056nm，电压为40kV，电流为100mA，掠射角2º，扫描速度为8º/min。用JEM-100S

7、X型透射电子显微镜（TEM）分别观测不同退火时间ITO薄膜的形貌。用扫描仪将TEM图像输入计算机，将灰度图像转变为黑白图像；然后从中截取512×512像素的图像，利用盒计数法分别计算它们的分形维数，定量表征薄膜非规则微结构的变化规律。将方格边长分别为ε(的网格覆盖在分形图像上，计数网格中有图形像素（不管方格中像素或多或少）的方格数目N()ε；对应不D同ε得到一系列N()ε数据，满足N()~(1/)εε。取对数，即lnN(ε)~−Dl

8、n(ε)(1)令x=ln(ε)，y=lnN(ε)，a=−D，则上式变为y~ax。求出x,y的平均值x,y；以及它们和测量值的误差平方和S，S；再求出测量值误差乘积之和S，即xxyyxynn11x=∑xi，y=∑yini=1ni=1nn22S=(x−x)S=(y−y)xx∑i，yy∑i(2)i=1i=1nSxy=∑(xi−x)(yi−y)i=1使得测量总误差达