【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝。為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)。人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。發(fā)展與應(yīng)用及常見(jiàn)的制備方法，并選擇熱蒸發(fā)方法制備了Ge-Sb-Se組分的硫系薄膜。果表明熱蒸發(fā)法制備Ge-Sb-Se薄膜具有良好的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，在集成光學(xué)器件方面很高的應(yīng)用潛力。

　　

【正文】 干凈、安裝。為了保證基片的清潔度，基片在每次實(shí)驗(yàn)前清洗，后立即使用。 本文實(shí)驗(yàn)中熱蒸發(fā)法制備玻璃薄膜的步驟如下： （ 1） 實(shí)驗(yàn)前制定蒸發(fā)過(guò)程的條件參數(shù)：基片溫度 T，左右蒸發(fā)舟的加熱電流 1A 、 2A ，所需薄膜厚度 d。 （ 2） 開(kāi)啟總電源（將閥門關(guān)閉，所有旋鈕歸零）、水箱、真空機(jī)， 安裝基片和靶材，基片高度固定與靶材距離為 20cm。 （ 3） 抽真空：打開(kāi)機(jī)械泵并旋開(kāi)角閥，對(duì)蒸發(fā)室抽氣。待蒸發(fā)室真空達(dá)到 20帕后關(guān)閉角閥，打開(kāi)電磁閥和插板閥對(duì)分子腔抽氣，待蒸發(fā)室真空再次達(dá)到 20pa后打開(kāi)分子泵抽氣，直到 蒸發(fā)室的真空度高于 ?? 。 （ 4） 給基片預(yù)加熱：打開(kāi)基片溫度控制儀，給基片加熱致溫度 T。 （ 5） 蒸發(fā)鍍膜： 打開(kāi)蒸發(fā)擋板，打開(kāi)膜厚測(cè)試儀，利用計(jì)算機(jī)打開(kāi)熱蒸發(fā)基片自轉(zhuǎn)。 左右蒸發(fā)舟接通電源加熱（電流為 1A 、 2A ），通過(guò)膜厚控制儀觀察薄膜厚度，待薄膜厚度達(dá)到期望值后關(guān)閉蒸發(fā)舟加熱電源停止鍍膜。 （ 6） 薄膜退火處理：為了消除薄膜中的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步提高薄膜的附著力，濺射完畢后在原蒸發(fā)室內(nèi)高真空下退火處理，退火處理也使得薄膜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。退火時(shí)間為 2h，然后再沉積室中保持真空狀態(tài)下自然冷卻，此 過(guò)程一般需要 34小時(shí)。 基于熱蒸發(fā)方法的硫系薄膜制備與光學(xué)性能研究 8 （ 7） 關(guān)閉分子泵，關(guān)閉插板閥，關(guān)閉真空機(jī)，當(dāng)真空機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)關(guān)閉電磁閥，機(jī)械泵，最后關(guān)閉總電源。 3 GeSbSe 薄膜 性能 測(cè)試、分析 組分分析 為了檢驗(yàn)熱蒸發(fā)方法制備的薄膜與靶材之間的組分差異，我們測(cè)試了薄膜和靶材的 X 射線電子能譜（ XPS），所得結(jié)果如表 31 所示，表中的數(shù)據(jù)為各元素的摩爾百分比。由于測(cè)試設(shè)備和方法本身的局限性，表中數(shù)據(jù)并不能真實(shí)反映材料體系中各元素的百分比含量，但是我們可以根據(jù)表中的數(shù)據(jù)比較各元素含量的相對(duì)偏差。表中數(shù)據(jù)顯示，熱蒸發(fā)法得到的薄膜與靶材的組分差異較小，說(shuō)明我們采用的熱蒸發(fā)工藝能夠較好地吻合靶材的組分。 表 31 薄膜和靶材的 XPS 測(cè)試結(jié)果 Ge（ %） Sb（ %） Se（ %） 靶材 薄膜 結(jié)構(gòu)分析 對(duì)相同 GeSbSe塊狀靶材玻璃利用熱蒸發(fā)法 制備的 三份 薄膜分別作如下處理 ：不退火，在 200℃下退火和在 285℃下退火，對(duì)它們進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 41 所示 圖 31 三種退火處理后薄膜及靶材玻璃拉曼光譜測(cè)試結(jié)果 從圖中可以看出 Ge20 基質(zhì)玻璃和不同退火溫度下的薄膜拉曼光譜形狀大致相近，并且 200℃退火的薄膜結(jié)構(gòu)最接近基質(zhì)玻璃 ， 說(shuō)明熱蒸發(fā)法所得薄膜組分與靶材組分相差不大 。 有三個(gè)拉曼峰。在194200 1?cm 有一個(gè)主峰，這個(gè)主峰在 166178 1?cm 處有一個(gè)肩峰。第二個(gè)峰在 120130 1?cm 范圍內(nèi)，第三個(gè)峰位于 245300 1?cm 范圍內(nèi)。其中后兩個(gè)峰強(qiáng)度較弱，主要是由 SeSe鍵引起的。隨寧波大學(xué) 信息 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 著退火溫度的升高，主峰變窄，并稍向短波方向移動(dòng)， 200℃時(shí)最窄且位移最大。位于 245300 1?cm的強(qiáng)度變?nèi)?。主峰主要由可劃分?3個(gè)峰，一個(gè)位于 190 1?cm ，由 SbSe3/2 中的非極性 SbSe 鍵的振動(dòng)引起，一個(gè)位于 200 1?cm ，由 共點(diǎn)的 GeSe4/2 結(jié)構(gòu)中的 GeSe鍵引起，另一個(gè)位于 215 1?cm ，由 共邊的 Ge2Se8/2 結(jié)構(gòu)中的 GeSe 振動(dòng)引起 [14]。 180 處的肩峰由 Ge2Se6/2 結(jié)構(gòu)單元中的 GeGe 鍵引起， 200退火是明顯減弱， 285 退火處理后有又加強(qiáng)。 隨著退火溫度升高 Se環(huán)結(jié)構(gòu)減少，而 GeSe鍵結(jié)構(gòu)增加，這導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)變得致密因此折射率也將隨之升高。 透過(guò)率 采用 PerkinElmerLamba 950UV/VIS/NIR 型分光光度計(jì)測(cè)試得到薄膜樣品在400nm2500nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透過(guò)光譜，如圖 5 所示。通過(guò)選取圖中的波峰和波谷值可以擬合途中透過(guò)率曲線的上、下包絡(luò)線 ，并計(jì)算出在不同波長(zhǎng)下薄膜樣品的折射率值。為了使擬合結(jié)果盡可能接近實(shí)際值，需要對(duì)透過(guò)率曲線波峰和波谷應(yīng)盡可能的多選取采樣點(diǎn)，這就要求使用較厚的薄膜，因此我們選擇了一片 35 分鐘熱蒸發(fā)制得的 GeSbSe薄膜樣品進(jìn)行測(cè)試。折射率 n 的計(jì)算公式為： 2M m ss MmT T n + 1N = 2n +T T 2 (2) 2 2 1/ 2 1/ 2sn = [N + (N n ) ] (3) 其中 sn 為基底折射率，這里石英基底折射率取 ， MT 和 mT 為曲線擬合所得的上、下包絡(luò)線在 某個(gè)波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的值。 32 薄膜樣品的透過(guò)率 通過(guò)擬合計(jì)算可以得到薄膜的折射率，還可以根據(jù)下式求出薄膜的厚度為： 基于熱蒸發(fā)方法的硫系薄膜制備與光學(xué)性能研究 10 121 1 2 22( )d nn????? ? (4) 其中， 1? 、 2? 為相鄰兩個(gè)波峰或波谷對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)， 1n 、 2n 為相應(yīng)波長(zhǎng)下的折射率。表 2 列出了在不同波長(zhǎng)處所對(duì)應(yīng)的薄膜折射率值，以及利用相鄰波峰和相鄰波谷值計(jì)算得到 的薄膜厚度 d，表中的折射率值略小于相應(yīng)塊體靶材玻璃材料的折射率 ( 左右 )，分析該結(jié)果產(chǎn)生的原因除了擬合計(jì)算方法本身的誤差，還可能因?yàn)楸∧そM分相比于靶材玻璃材料有所改變而引起 [22]。由表中所得的六組厚度值可求出薄膜的平均厚度為2390nm，與使用臺(tái)階儀測(cè)試所得的薄膜厚度 2389nm 非常接近，說(shuō)明這種擬合計(jì)算膜厚的方法是可行的。 表 31 不同 波峰和波谷計(jì)算得到的薄膜厚度 ? TM Tm n d 1977 —— 1700 1494 1333 2151 —— 1827 1592 1409 折射率 玻璃折射率取決于其內(nèi)部離子的極化率和玻璃的致密度 [15]： (1)越大，或者陰陽(yáng)離子間的鍵強(qiáng)越小，則玻璃的折射率越大； (2)極化率和密度越大，玻璃的折射率越大； (3)分子體積越小，玻璃折射率越大。通過(guò)對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)分析， 對(duì)硫系玻璃薄膜，影響其折射率的主要因素是 Se環(huán)和非橋鍺。退火后 Se 環(huán)減少 GeSe2 增加，射率相應(yīng)增加。圖 43 為橢偏儀測(cè)試得出的折射率結(jié)果 寧波大學(xué) 信息 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 33 200℃和 285℃退火后薄膜折射率 其中 n1為硫系玻璃本身折射率， n8 和 n4分別為 200℃與 285℃退火后玻璃折射率。由圖中曲線可得隨著退火溫度升高，薄膜折射率隨之上升，這與拉曼光譜測(cè)試結(jié)果相符。 薄膜厚度和表面粗糙度 在臺(tái)階儀下對(duì)熱蒸發(fā) 和磁控濺射兩種 方法制備的 GeSbSe 薄膜厚度以及表面形貌進(jìn)行測(cè)試，如圖 41 和圖 42 所示。從圖中可以看處，通 過(guò) 2 小時(shí)磁控濺射方法制的薄膜厚度為 215nm，薄膜的表面粗糙度 Ra=，計(jì)算可得濺射速度為 ；通過(guò) 10 分鐘熱蒸發(fā)方法制的薄膜厚度為693nm，薄膜的表面粗糙度 Ra=，蒸發(fā)速度為 。因此可以得出熱蒸發(fā)方法與磁控濺射方法相比，制得薄膜的表面粗糙度相似，但熱蒸發(fā)法的鍍膜速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁控濺射法 ，這與表 21中的結(jié)論相符。 (a)薄膜厚度 (b)表面粗糙度 圖 34 磁控濺射法制備硫系薄膜的臺(tái)階儀測(cè)試結(jié)果 (a)薄膜厚度 (b)表面粗糙度 圖 35 熱蒸發(fā)法制備硫系薄膜的臺(tái)階儀測(cè)試結(jié)果 基于熱蒸發(fā)方法的硫系薄膜制備與光學(xué)性能研究 12 4 總結(jié) 硫系薄膜是硫系玻璃材料光學(xué)器件向集成化、小型化發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。 本文 介紹了硫系薄膜 的性質(zhì)和幾種常見(jiàn)的 制備方法 ， 采用熱蒸發(fā)方法成功制備了 GeSbSe組分硫系薄膜 。 并對(duì)所得薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試： 薄膜的透過(guò)光譜（分光光度計(jì)），薄膜組分（ xps），薄膜結(jié)構(gòu)（拉曼光譜）和薄膜厚度（臺(tái)階儀）等參數(shù)。 結(jié)果表明 熱蒸發(fā)方法制備的 GeSbSe薄膜具有良好的物理性質(zhì)和 光學(xué)性質(zhì)，通過(guò)該研究可促進(jìn)硫系薄膜材料和硫系薄膜制備方法的發(fā)展，同時(shí)為硫系薄膜在光波導(dǎo)、光開(kāi)關(guān)等光學(xué)器件的應(yīng)用打下良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。 寧波大學(xué) 信息 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 參考文獻(xiàn) [1] 劉曉新 .SILAR法制備半導(dǎo)體及其光電性能研究 [D].天津：天津大學(xué)， 2020. 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