CN114032501B - 一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜，并引入浓度为25‑35％的阴离子空位以实现远红外透明与导电性能的兼容；具体通过制备菱方相的Bi2Tex材料来获得光频介电常数大于15的介质薄膜，Bi2Tex材料的制备工艺包括如下步骤：将纯Bi2Te3靶安装在磁控射频溅射靶中，采用硅片或硫化锌片作为衬底；抽真空度，通入高纯Ar气；控制纯Bi2Te3靶的溅射功率，在基底上沉积；沉积得到薄膜材料后，采用管式炉退火。本发明方法设计科学合理，相比较于传统通过调控载流子浓度或有效质量方法，其能够在薄膜材料中很好地实现兼容远红外透明与导电性能。

Description

一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法。
背景技术
远红外透明导电膜指的是8-12μm波段具有高透射率且同时具有高电导率的薄膜。为了同时获得高的透射率和电导率，传统的材料设计思路分为两类，一种是通过重掺杂的金属氧化物来调控载流子浓度和弛豫时间。在这种思路下，利用宽带隙的氧化物In2O3、CdO等作为母体，通过调控掺杂浓度来增大载流子浓度。但是，掺杂产生了载流子散射中心并降低弛豫时间，不能有效的提高电导率。此外，掺杂引起的高载流子浓度也会与红外波段的光子相互作用产生散射，降低红外透明性质。目前报导的最佳性能出现在ITO薄膜中，但它只能在保证高导电性能的同时实现中红外透明；第二种传统的设计思路是调控载流子浓度和有效质量。根据报导，在SrVO3、CaVO3等金属酸盐中，电子-电子相互作用引起的有效质量的增加可以在保持高载流子浓度的前提下增大等离子体反射波长，从而获得透明导电性能。然而这些金属酸盐的载流子浓度和有效质量可以调控范围比较小，这使得等离子体反射波长不能得到有效提高。目前报导的最佳性能出现在SrVO3薄膜中，它只能在保证高导电率的同时实现近红外透明。从现有的方法来看，无论是调控载流子浓度还是调控有效质量，所得到材料都难以同时实现透明与导电的兼容。
远红外波段透明和导电协同困难的主要原因有：(1)现有对透明导电材料的研究主要集中在可见-近-中红外波段，缺少远红外透明导电材料的研究，无相关经验可以借鉴；(2)对于其物理本质，如式(1)和(2)所示：
满足远红外高透明需要大的等离子体反射波长(λp)，需要低载流子浓度(n)和大载流子有效质量(m*)，而高的电导率(σ)则需要高载流子浓度(n)和小载流子有效质量(m*)，所以远红外透明和导电在物理起源上存在着巨大的矛盾。这使得难以在一种材料中同时实现透明与导电的协同。
有鉴于此，亟需提供一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜，并引入浓度为25-35％的阴离子空位以实现远红外透明与导电性能的兼容。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过制备碲化铋材料来获得光频介电常数大于15的介质薄膜。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过制备菱方相的Bi2Tex材料来获得光频介电常数大于15的介质薄膜，其中1<x<3。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过调控Bi2Tex材料中碲含量x来获得浓度为25-35％的碲离子空位，碲离子空位等于(3-x)/3。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，所述Bi2Tex材料的制备工艺包括如下步骤：
1)在磁控溅射镀膜系统中将纯Bi2Te3靶安装在磁控射频溅射靶中，采用硅片或硫化锌片作为衬底；
2)将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到所需真空度，然后向溅射腔室内通入高纯Ar气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压；
3)控制纯Bi2Te3靶的溅射功率，在基底上沉积得到的薄膜材料即为菱方相的Bi2Tex材料；
4)在基底上沉积得到薄膜材料后，采用管式炉退火，通过控制退火参数来调控Bi2Tex材料中碲含量x。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，步骤1)中，衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，步骤2)中，所需真空度为4×10-4-6×10-4Pa，所需起辉气压为1.0-4.0Pa。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，步骤3)中，纯Bi2Te3靶采用射频电源，溅射功率为55-65W。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，步骤3)中，溅射条件为：靶基距为70mm，衬底温度295-305℃，工作压强为0.95-1.05Pa，Ar气流量为79-81sccm，溅射时间为59-61s。
进一步地，如上所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，步骤4)中，退火时提供常压Ar气氛，Ar流速为200-300sccm，退火温度为200-400℃，退火时间为15min。
本发明的有益效果是：
1、本发明在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法设计科学合理，相比较于传统通过调控载流子浓度或有效质量方法，其通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜并引入浓度为25-35％的阴离子空位以实现。
2、本发明制备了光频介电常数为19，阴离子空位浓度为30％的Bi2Te2.1薄膜，其电导率高达1843s/cm，8-12微米的平均透射率为71％，首次实现了远红外透明与导电的兼顾，这种良好兼顾性是已报道的任何导电薄膜和透明薄膜都无法实现的。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所制Bi2Te2.1的EDS谱图；
图2为本发明实施例1所制Bi2Te2.1膜的XRD谱图；
图3为本发明实施例1所制Bi2Te2.1膜在3-12μm波段的红外透射谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的具体实施例如下：
实施例1
一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜，并引入浓度为30％的阴离子空位以实现远红外透明与导电性能的兼容。
本实施例具体通过制备菱方相的Bi2Te2.1材料来获得光频介电常数大于15的介质薄膜，Bi2Te2.1材料的制备工艺包括如下步骤：
1)在磁控溅射镀膜系统中将纯Bi2Te3靶安装在磁控射频溅射靶中，采用硅片作为衬底；衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗。
2)将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到4×10- 4Pa，然后向溅射腔室内通入高纯Ar气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压1.0Pa；
3)控制纯Bi2Te3靶的溅射功率，纯Bi2Te3靶采用射频电源，溅射功率为60W。在基底上沉积得到的薄膜材料即为菱方相的Bi2Te2.1材料。溅射条件为：靶基距为70mm，衬底温度300℃，工作压强为1.0Pa，Ar气流量为80sccm，溅射时间为60s。
4)在基底上沉积得到薄膜材料后，采用管式炉退火。
退火时提供常压Ar气氛，Ar流速为200sccm，退火时间为15min。退火温度为300℃，获得碲离子空位浓度为30％的菱方相碲化铋。
实施例2
一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜，并引入浓度为25％的阴离子空位以实现远红外透明与导电性能的兼容。
本实施例具体通过制备菱方相的Bi2Te2.25材料来获得光频介电常数大于15的介质薄膜，Bi2Te2.25材料的制备工艺包括如下步骤：
1)在磁控溅射镀膜系统中将纯Bi2Te3靶安装在磁控射频溅射靶中，采用硅片作为衬底；衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗。
2)将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到4×10- 4Pa，然后向溅射腔室内通入高纯Ar气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压1.0Pa；
3)控制纯Bi2Te3靶的溅射功率，纯Bi2Te3靶采用射频电源，溅射功率为60W。在基底上沉积得到的薄膜材料即为菱方相的Bi2Te2.25材料。溅射条件为：靶基距为70mm，衬底温度300℃，工作压强为1.0Pa，Ar气流量为80sccm，溅射时间为60s。
4)在基底上沉积得到薄膜材料后，采用管式炉退火。
退火时提供常压Ar气氛，Ar流速为200sccm，退火时间为15min。退火温度为200℃，获得碲离子空位浓度为25％的菱方相碲化铋。
实施例3
一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜，并引入浓度为35％的阴离子空位以实现远红外透明与导电性能的兼容。
本实施例具体通过制备菱方相的Bi2Te1.95材料来获得光频介电常数大于15的介质薄膜，Bi2Te1.95材料的制备工艺包括如下步骤：
1)在磁控溅射镀膜系统中将纯Bi2Te3靶安装在磁控射频溅射靶中，采用硅片作为衬底；衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗。
2)将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到4×10- 4Pa，然后向溅射腔室内通入高纯Ar气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压1.0Pa；
3)控制纯Bi2Te3靶的溅射功率，纯Bi2Te3靶采用射频电源，溅射功率为60W。在基底上沉积得到的薄膜材料即为菱方相的Bi2Te1.95材料。溅射条件为：靶基距为70mm，衬底温度300℃，工作压强为1.0Pa，Ar气流量为80sccm，溅射时间为60s。
4)在基底上沉积得到薄膜材料后，采用管式炉退火。
退火时提供常压Ar气氛，Ar流速为200sccm，退火时间为15min。退火温度为400℃，获得碲离子空位浓度为35％的菱方相碲化铋。
实施例4
对于产生高透明性的条件，发明人利用电磁仿真模拟和大量的光学介电函数仿真发现薄膜的透射能力可以用等离子波长与高频介电常数之间的关系进行解释。通过洛伦兹振子模型(Lorentz oscillator)与麦克斯韦(Maxwell)方程方程联立,可以得到复介电常数的实部εr和虚部εi,如式(3)和(4)所示：
其中，ε∞为高频介电常数。当ω＝ωp时，薄膜的光学性能发生突变，ωp可以用式(5)表达为：
通过理论计算与光谱仿真，发明人发现透射性能与等离子频率密切相关，而后者与光频介电常数呈反比关系。材料的导电性根据式(2)可知电导率与迁移率密切相关，然而迁移率根据式(6)与光频介电常数密切相关，
因此发明人提出大的光频介电常数是实现介质材料远红外透明与导电性能协同的关键。
通过查阅资料和理论计算等，发明人发现大的光频介电常数与键合密切相关，多中心键是产生大光频介电常数的关键。多中心键是由三个或三个以上原子的原子轨道互相叠加形成的化学键，而形成多中心键需要(1)低的离化度、(2)低的杂化度和(3)低的饱和度。
发明人通过计算离化度、杂化度和饱和度并绘制了以它们为坐标轴的三维坐标系，勾画出了高光学介电常数的候选材料。发明人发现同时满足三个条件的材料包括重金属碲化物，例如Bi2Te3。
为了获得高的电导率，发明人可以通过调控非金属元素含量来产生所需浓度的阴离子空位，这些浅能级缺陷能够在室温下热激发出自由电子形成丰富载流子。并且大ε∞能产生极大的屏蔽效应，可以削弱带电中心对自由电子的散射作用，这使得迁移率不太会因为缺陷的引入而降低，从而获得高的电导率。
综合上述认识，实现远红外透明与导电的协同方法的关键是通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜并引入浓度为25-35％的阴离子空位以实现远红外透明与导电性能的兼容，其关键技术在于：通过制备菱方相的碲化铋来获得光频介电常数大于15的介质薄膜，通过调控碲含量x来获得浓度为25-35％的碲离子空位，这里碲离子空位等于(3-x)/3。
因此发明人选择了Bi2Te2.1进行了验证实验，通过四点探针和光谱测试，该薄膜的电导率高达1843s/cm，8-12微米的平均透射率为71％，成功地实现了远红外透明与导电的兼顾，这种良好兼顾性是已报道的任何导电薄膜和透明薄膜都无法实现的。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，其特征在于：通过设计光频介电常数大于15的介质薄膜，并引入浓度为25-35%的阴离子空位以实现远红外透明与导电性能的兼容；
通过制备菱方相的Bi 2Te x材料来获得光频介电常数大于15的介质薄膜，其中1<x<3；通过调控Bi 2Te x材料中碲含量x来获得浓度为25-35%的碲离子空位，碲离子空位等于（3-x）/3；
所述Bi 2Te x材料的制备工艺包括如下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中将纯Bi 2Te 3靶安装在磁控射频溅射靶中，采用硅片或硫化锌片作为衬底；
2）将磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空处理直至室内真空度达到所需真空度，然后向溅射腔室内通入高纯Ar气直至溅射腔室内气压达到溅射所需起辉气压；
3）控制纯Bi 2Te 3靶的溅射功率，在基底上沉积得到的薄膜材料即为菱方相的Bi 2Te x材料；纯Bi 2Te 3靶采用射频电源，溅射功率为55-65W；溅射条件为：靶基距为70 mm，衬底温度295-305℃，工作压强为0.95-1.05Pa，Ar气流量为79-81sccm，溅射时间为59-61s；
4）在基底上沉积得到薄膜材料后，采用管式炉退火，通过控制退火参数来调控Bi 2Te x材料中碲含量x；退火时提供常压Ar气氛，Ar流速为200-300sccm，退火温度为200-400℃，退火时间为15 min。
2.根据权利要求1所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，其特征在于：步骤1）中，衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗。
3.根据权利要求1所述在薄膜材料中兼容远红外透明与导电性能的方法，其特征在于：步骤2）中，所需真空度为4×10-4- 6×10-4Pa，所需起辉气压为1.0-4.0Pa。
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