磁控溅射在PET上制备Fe薄膜及性能研究

南京邮电大学 李令斌 张 超 叶 帅

随着自旋电子学的发展，在各种衬底上制备导电薄膜成为越来越多人研究的内容，基于柔性材料PET耐高温、价格便宜、资源丰富等优良特性，在柔性衬底PET材料上，通过磁控溅射的技术，以Fe为靶材制备薄膜，通过研究不同溅射时间对薄膜X射线衍射图谱的不同，我们得出溅射时间对薄膜的结构形成并无明显的影响，鉴于这一实验结果，我们制定下一步实验计划，研究溅射压强对薄膜影响。

引言：柔性导电透明薄膜具有重量小、体积占比小、易于折叠和方便携带的特点，在生活中，已经被广泛地应用在塑料薄膜太阳能电池、不易碎热反射镜、液晶显示屏和一些柔性的电光材料等领域。对于导电薄膜的制备，通常会在薄膜额材料和衬底的材料两方面进行选择，由于我们研究的是柔性衬底上制备透明导电薄膜，对于薄膜材料，我们需要其具有良好的光电性能的同时，还要关注其有无毒性、资源的价格和制作成本等特点；对于衬底的选择，我们要求其成膜温度尽可能低，这就要求所选用的柔性衬底需要具有耐高温的特性，另外对其透明性也有一定的要求，透明度越高越好。

自旋电子学，也被称为自旋电子，是本征的研究自旋的电子和其相关联的磁矩，除了其基本电子电荷，在固态设备。自旋电子学与传统电子学的根本区别在于，除电荷状态外，电子自旋还被用作进一步的自由度，对数据存储和传输的效率有影响。自旋电子系统通常在稀磁半导体（DMS）和赫斯勒合金中实现，并且在量子计算领域中特别受关注。

近年来，自旋电子学的不断发展，人们已经发现自旋电子学相关的特性及使用场景，这使得对自旋电子学相关的薄膜特性研究变得更加急需，本文从自旋电子学和柔性薄膜材料两个角度结合考虑，使用磁控溅射技术在PET薄膜上制备Fe薄膜，进而研究溅射时间对薄膜性能的影响，并得出相关结论。

1.研究现状

周强等人在PET柔性衬底上做了薄膜沉积的实验，其在室温下在PET通过沉积实验，成功制备了具有低电阻率的CdO导电薄膜，经过实验验证，该薄膜具有良好的导电能力和不错的结晶能力，但实验验证其薄膜的波长透过性能指标不高，从而得出薄膜不能在发光器件及全色显示中应用的结论。

王新在玻璃衬底和柔性PET衬底上做了薄膜沉积实验，其实验中在相同的环境下，制备了导电ITO薄膜，进而对比在不同衬底不同的情况下，薄膜特性会不会发生大的差异。通过分别对其实验制备薄膜的结构和光学特性及电学性能的分析，关于生长性质的比较，PET衬底上生长的薄膜样品性质相比玻璃衬底上生长的薄膜样品有稍许的差距，但差别很小；关于透光率的分析，PET衬底上生长的ITO薄膜透光率高达87%，此性能远远高于在玻璃衬底上生长的ITO薄膜的透光率，并且PET在导电方面也非常优秀，电阻率可以达到4.7×10-4。

刘汉法在水冷柔性PET衬底上做了薄膜沉积实验，其在室温下在水冷柔性PET衬底上，通过改变溅射压强，制备了高质量的TZO导电透明薄膜。经过实验结果分析，发现溅射压强对柔性TZO薄膜的结构、应力、电光学特性均会产生不同程度地影响。在分析薄膜的结构特性后，发现柔性TZO薄膜是六角纤锌矿结构的多晶膜，该结构C轴择优取向。溅射压强为5Pa是制备的TZO薄膜具有最小的电阻率，所有样品的可见光光学透过率均大于91%，溅射压强为6Pa时样品薄膜的应力最小为0.785GPa。实验制备的柔性PET衬底TZO透明导电薄膜在柔性液晶显示屏、塑料薄膜太阳能电池和柔性电光学器件领域有很好地应用前景。

2.实验

关于磁控溅射技术，我们可将其划分成三类，射频磁控溅射技术、直流磁控溅射技术及中频磁控溅射技术。射频磁控溅射的电流很大，这使得溅射速率高，膜层和基体的附着力较强，电子向基片的入射能量较低，进而避免基片温度偏高的问题，由于装置结构等复杂多样，其设备也要求与屏蔽、绝缘、电极冷及复杂的相关的网络等部件一同使用，这种结构设计就造成射频磁控溅射仪器的费用成本偏高，故不经常用于工业生产当中。

相较射频磁控溅射，直流磁控溅射的装置要简单的多，通常在300～1000V，特点是溅射速率快，造价低，后期维修保养便宜。但只能溅射金属靶材，如果靶材是绝缘体，随着溅射的深入，靶材会聚集大量的电荷，导致溅射无法继续。因此对于金属靶材通常用直流磁控溅射，由于造价便宜，结构简单，没有复杂的网络匹配装置和昂贵的射频电源装置，这使得它的价格相对低廉，在工业上已经得到了大量使用。但是其不可忽略关键问题是，在其使用过程中，靶中毒的现象时有发生，故这就要求在制备过程中，要对其反应气体流量的进一步把控。中频磁控溅射的电源价格比射频磁控溅射低，靶材为平面靶或者旋转靶，对靶材材质没有要求，制备时有较高的利用率，经过研究发现，关于其靶材的最高利用率，可达到70%以上，并且其制备时溅射的速率快，它抵御靶中毒的能力很强，且工作稳定，没有打弧现象，溅射速率快。

本论文采用直流磁控溅射技术制备柔性衬底薄膜。实验靶材选择为铁靶，其靶材纯度为99.9%，选用柔性PET材料做衬底，溅射气体为氩气（99.995%），反应气体为氮气（99.995%）。如图1为建设过程的具体流程图，关于磁控溅射环境，其腔体中的压强为8×10-5Pa，反应时压强为0.5Pa。对于本文所研究的样品，溅射时间作为变量，氮气流量和温度保持不变。溅射时Fe靶的电源功率为100w，直流溅射时间分别为为7.5min、15min、30min、60min。

图1 磁控溅射过程流程图

3.结果分析

对于制备的样品，我们采用XRD技术对其分析。XRD(X-Ray Diffraction)通常用来对物质晶体结构进行分析。其原理是X射线与原子产生相互作用，发生衍射现象，由于晶体的原子结构、排列方式不同，产生的衍射现象也不同。我们可以通过对其衍射图谱的分析进而对原子的结构、形态进行研究。

如图2所示，是Fe/PET薄膜样品的XRD衍射图谱。横坐标是2θ，纵坐标是对数坐标。从衍射图谱中我们可以看到，最强的两个衍射峰分别为Fe和PET衬底。

通过比较不同溅射时间的XRD图谱可知，图谱中显示，在不同的溅射时间下生成的薄膜结构中，衍射峰位置大致相同，故得出结论，溅射时间对薄膜的结构形成并无明显的影响。鉴于这一实验结果，我们将进行下一步实验，探索溅射时压强对薄膜的形成的影响。

图2 Fe/PET薄膜样品的XRD衍射图谱