ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТОНКИХ ПЛіВОК ТіО2 ЗА ДОПОМОГОЮ КОНВЕРТНОГО МЕТОДУ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 61.315.592

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТОНКИХ ПЛ1ВОК Т1О2 ЗА ДОПОМОГОЮ КОНВЕРТНОГО МЕТОДУ

Визначено товщину та оптичш констан-ти тонког nMieKU Ti02 виготовленог методом реактивного магнетронного розпилен-ня при постшнш ^npy3i використовуючи конвертний метод. Встановлено, що тонка плiвка дюксиду титану е непрямозонним напiвпровiдником з шириною забороненог зони Eg=3.15 еВ

Ключовi слова: Ti02, магнетрон, оптичш

властивостi

□-□

Определена толщина и оптические константы тонкой пленки Ti02, зготовлен-ной методом реактивного магнетронного распыления при постоянном напряжении, используя конвертный метод. Установлено, что тонкая пленка диоксида титана является непрямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны Eg=3.15 еВ

Ключевые слова: Ti02, магнетрон, оптические свойства

□-□

The envelope method was employed to determine the thickness and optical properties of the TiO2 thin film deposited by DC reactive magnetron sputtering. The titanium dioxide thin film was established to be an indirect semiconductor with the band gap energy Eg=3.15 еВ

Kay words: TiO2, magnetron, optical properties

1. Вступ

Дюксид титану (ТЮ2) е одним з найперспектив-шших матерiалiв серед елементарних прозорих, про-вщних оксидiв [1]. Тоню плiвки ТЮ2 широко викори-стовуються у рiзних оптичних та фотоелектричних пристроях завдяки високому коефвденту пропускання свила у видимому дiапазонi довжин хвиль, великому значенню показника заломлення, широкому дiапазону значень питомого електричного опору, стаб^ьноси параметрiв у чась Таю властивосп роблять можливим використання плiвок дюксиду титану в якостк про-свилюючих покритпв, оптичних фшы^в, широко-зонних фронтальних шарiв сонячних елеменпв.

Для виготовлення тонких плiвок дюксиду титану використовують ряд технологш, зокрема, магнетронне розпилення, електронно - променеве випаровування, пульверизащя з наступним пiролiзом та ш.

Детальне дослщження структурних, електричних, оптичних та ш. властивостей тонких плiвок ТЮ2 е за-порукою !х ефективного практичного використання.

В данш роботi дослiджуються оптичнi властивосп тонко! плiвки ТiО2 виготовлено! методом реактивного магнетронного розпилення при постшнш напрузь Для визначення оптичних констант матерiалу дослщ-жувано! тонко'! плiвки застосовано конвертний метод [2]. Конвертний метод був розроблений для аналiзу

В. В. Брус

Астрант

Чершвецьке вiддiлення 1нституту проблем матерiалознавства iM. I. М. Францевича НАН УкраТни вул. 1рини Вiльде, 5, м. Чершвщ, УкраТна, 58000 Контактний тел.: (0372) 55-12-32 E-mail: victorbrus@mail.ru

cneKTpiB пропускання з екстремальними точками яю обумовлеш iнтерференцiйними явищами у тонких плiвках з метою визначення товщини плiвок d, показника заломлення n(X), коефiцieнта поглинання а(Х) та екстинцп k(X).

2. Експериментальна частина

Нанесення плiвок ТiО2 проводилося на тдкладки з покривного скла в ушверсальнш вакуумнiй установ-цi Laybold - Heraeus L560 за допомогою реактивного магнетронного розпилення мiшенi чистого титану у атмосферi сумiшi газiв аргону та кисню при постшнш напрузь

Титанова мiшень - шайба дiаметром 100мм i товщи-ною 5мм, розмiщуеться на столику магнетрона з водя-ним охолодженням на вщсташ 7см пiд пiдкладоками.

Попередньо очищеш пiдкладки покривного скла розмщувалися над магнетроном з подальшим обе-ртанням столика для забезпечення однорщност пль вок по товщинi. Перед початком процесу напилення вакуумна камера вщкачувалася до залишкового тиску 510-3 Па.

Формування газово! сумiшi аргону та кисню в не-обхщнш пропорцii вiдбувалося з двох незалежних джерел.

Використовувалося короткочасне протравлюван-ня бомбардуючими юнами аргону поверхнi мiшенi та тдкладки для видалення неконтрольованого забруд-нення.

Протягом процесу напиленя парщальш тиски у ва-куумнiй камерi складали 0,5 Па для аргону та 0,02 Па для кисню. Встановлена потужшсть магнетрона - 350 Вт. Процес напилення тривав 20 хв. при температурi тдкладок 250°С.

Спектр пропускання тонко! плiвки ТiО2 отримано за допомогою спектрофотометра СФ-2000. Експери-ментальнi точки знiмалися в обласп довжин хвиль 190 - 1100 нм з кроком 1 нм.

3. Результати та ¡х обговорення

На рис. 1 зображено спектри пропускання чисто! скляно! тдкладки та структури тдкладка - тонка плiв-ка ТЮ2. Як видно з рисунка в обласп власного погли-нання тонко! плiвки дiоксиду титану тдкладка залиша-еться прозорою. Така умова забезпечуе однозначнiсть iнтерпретування отриманих результапв. На спектрi пропускання тонко! плiвки ТiО2 видно перiодичнi тки та впадини як обумовленi штерфе-ренцiйними явищами, що свiдчить про хорошу однорiднiсть та якiсть п(Х) = поверхнi тонко! плiвки.

Рис. 2. Спектр пропускання тонко! плiвки дюксиду титану напилено! на скляну тдкладку з конвертними кривими для штерференцшних максимумiв Ттах(Х) та мiнiмумiв Т,™,,^)

Отримавши конвертнi кривi можна визначити по-казник заломлення п(Х) тонко! плiвки ТiО2 викори-ставши наступне рiвняння:

2П5 (Тм (X)- Тт (X)) Тм (X) Тт (X)

п/ +1

2п5 (Тм (X)- Тт (X)) + п52 +1

Тм (X) Тт (X)

2

(1)

де п5 - це показник заломлення тдкладки, що виз-начаеться за виразом:

11

п =—+—г-1 5 Т ^Т2

(2)

де Т5 - пропускання пiдкладки, що практично по-стiйне в област прозоростi.

Для покривного скла, що використане в якосп пiдкладки Т5 = 0.91 тому з рiвняння (2) отримаемо, що

Рис. 1. Спектри пропускання: 1 — чисто! тдкладки з покривного скла, 2 — тонко! плiвки ТЮ2 нанесено! на цю тдкладку

Оптичш властивосп тонко! плiвки (товщина плiв-ки d, показник заломлення n(X), коефвдент поглинан-ня a(X) та екстинцп k(X)) можуть бути визначенi iз спектра пропускання з iнтерференцiйними ефектами використовуючи конвертний метод. Даний метод мож-на застосовувати за умови слабого поглинання тонкою плiвкою та прозоро! пiдкладки товщина яко! набагато бiльша вiд товщини плiвки. Цi вимоги задовольняють-ся у данш роботi.

Конвертнi кривi Tmax(TM)(X) та Tmin(Tm)(X) е ба-зовою частиною конвертного метода. Вони отриму-ються за допомогою параболiчно'! екстраполяцп ек-спериментально визначених точок, що вщповщають положенню iнтерференцiйних максимумiв та мжму-мiв (рис. 2).

Рис. 3. Графк залежностi n(X) для тонко! плiвки ТiО2. Суцiльна лЫя — значення n(X) розрахованi з рiвняння (1), штрихована лiнiя — екстраполящя отриманих даних

Як видно з рис. 3, значення показника заломлення n(X) плiвки ТiО2, розрахована з рiвняння (1) (сущль-на лiнiя), по мiрi збiльшення довжини хвилi спадае i

2

+

- п

2

п5 = 1.554.

стабШзуеться при довжинах хвиль X > 600 нм. Pi3Ke зростання значень показника заломлення при довжинах хвиль X < 500 нм обумовлене pi3^M зменшенням пропускання бшя краю власного поглинання тонких плiвок дюксиду титану.

Так як формулу (1) не можна застосовувати за межами зони штерференцп для визначення показника заломлення в област власного поглинання плiвки ТЮ2 була застосована екстраполящя розрахованих значень n(X) (штрихована лжя) [2].

Екстрапольоваш значення показника заломлення next(X) добре узгоджуються з опублiкованими даними [3, 4].

1снуе наступна лiнiйна залежнiсть мiж густиною та показником заломлення тонких плiвок Ti02 [5]:

Р =

n (550)-0.91933 0.42751

(3)

де р - густина (г/см3), n(550) - значення показника заломлення тонко! плiвки Ti02 вимiряне при довжинi хвилi X = 550 нм.

Для тонко! плiвки Ti02 у цш роботi n(550) = 2.51 (рис. 3).

Густина тонко! плiвки джсиду титану розрахована за формулою (3) складае 3.72 г/см3.

Для порiвняння, густина монокристалiв Ti02 для алотропних модифжацш рутилу та анатазу складае 4.26 та 3.84 г/см3, ввдповщно [1]. У випадку тонко! плiвоки дюксиду титану !! густина завжди менша вiд густини монокристалiчних зразюв i сильно залежить вiд умов напилення.

Слщуючи конвертному методу наступний крок це визначення товщини плiвки Ti02 з рiвняння (4):

d =

AXiX 2

2 [n (Xi ) X2 - n (X2 )Xi ]

(4)

a(X) = — ln d

(n (X)- 1)(n (X)- ns ) f Tm (x)] l Tm (X)J 1] 2 + 1

(n (X) + 1)(n (X) + ns ) f Tm (X)] l Tm (X)J 1] 2 - 1

(5)

На рис. 4 зображено показник поглинання a (X) як функцп вщ довжини хвиль Можна бачити рiзке зб^ьшення коефiцieнту поглинання в короткох-вильовiй областi поблизу краю власного поглинання Ti02, а також плавне зменшення значення показника поглинання при зб^ьшенш довжини хвилi (X >500 nm).

Рис. 4. Графк залежностi a(X) для плiвки Ti02

Коефiцieнт екстинцп можна легко визначити кори, . . Xa(X)

стуючись рiвнянням k(X) =-— (рис. 5).

4п

де Xi та X2 - довжини хвиль, яю вiдповiдають сусщ-нiм екстремальним точкам на спектрi пропускання, А = 1 для двох сусщшх екстремумiв одного типу (max - max, min - min) i А = 0,5 для двох сусщшх екстрему-мiв протилежного типу (max - min, min - max). Середне значення товщини плiвки дюксиду титану розрахова-не з рiвняння (4) для уах комбiнацiй екстремальних точок складае 0.315 мкм.

Коефiцiент поглинання a(X) для плiвки Ti02 може бути розрахований з рiвняння (5):

Рис. 5. Графк залежностi к^) для тонко! плiвки ТiО2

Як видно з рис. 5 коеф^ент екстинцп теж рiзко зростае поблизу обласи краю власного поглинання дослщжувано! плiвки. Але в обласп прозоростi (X > 500 нм) значення коеф^енту поглинання, на вщмшу вiд коефiцiенту поглинання, практично не залежить вщ довжини хвилi.

Конвертний метод можна застосовувати лише у межах обласп прозоросп тонко! плiвки. Тодi як в област власного поглинання виконуються наступнi умови: сильне поглинання в тонкш плiвцi ТiО2, повнiстю прозора пiдкладка та п2>>к2 (ТiО2 е непрямозонним натвпровщником з малим значенням показника екстинцп).

Таким чином показник поглинання а (X) в област власного поглинання тонко! плiвки ТЮ2 може бути визначеним з наступного виразу:

a(X) = 1 ln

(1 - R1(X))(1 - R2(X))(1 - RU(X))'

T(X)

(6)

де T - пропускання, R1, R2, R12 - це коефвден-ти вiдбивання вiд границь: повiтря - плiвка, плiв-

ка - тдкладка, тдкладка - повиря. R1 =

R12 =

ns- n (X)

vns + n (X)

2

, R2 =

1 - ns 1 + n.

2

i(£H i(X) +1

[6].

Коефiцieнт поглинання для tohkoï плiвки ТЮ2 добре узгоджуеться i3 наступною залежнiстю:

ahv= B (hv- Eg )2

(7)

де В - константа. Така залежнiсть a(hv) свiдчить, що матерiал тонкоï плiвки Ti02 напиленоï методом реактивного магнетронного розпилення при постшнш rnnpy3i е непрямозонним напiвпровiдником. Також визначено ширину забороненоï зони тонкоï плiвки Ti02 Eg=3.15 еВ шляхом перетину екстрапольованоï лiнiйноï дiлянки кривоï (ahv)1/2 - hv з вюсю енергiï hv . Визначене значення ширини забороненоï зони добре узгоджене з опублжованими даними [3,4].

Рис. 6. Графк залежностi ahv2 - hv для tohkoï i Ti02

4. Висновки

Вимiряно спектр пропускання плiвки дiоксидy титану в дiапазонi довжин хвиль вiд 200 до 1100 нм. На спектрi пропускання в обласп прозоростi тонкоï плiв-ки Ti02 спостерiгалися перiодичнi штерференцшш пiки та впадини. Застосовано конвертний метод для визначення товщини плiвки d та основних оптичних констант, зокрема, показник заломлення n(X), коефь цiент поглинання а (X) та екстинцп k(X) в залежностi ввд довжини хвилi. Розраховано густину тон^ плiвки Ti02 р = 3.72 г/см3.

Встановлено, що тонка плiвка дюксиду титану е непрямозонним натвпровщником шириною заборо-неноï зони Eg=3.15 еВ.

Лiтература

1. Diebold U. The surface science of titanium dioxide / U. Dieb-

old // Surface Science Reports. - 43 (2003) 53 - 229.

2. Sanchez-Gonzalez J. Determination of optical properties in

nanostructured thin films using the Swanepoel method / J. Sanchez-Gonzalez, A. Diaz-Parralejo, A. L. Ortiz // Applied Surface Science 252 (2006) 6013-6017.

3. Karunagaran B. Optical constants of DC magnetron sputte-

red titanium dioxide thin films measured by spectroscopic ellipspmetry / B. Karunagaran, R. T. Rajendra Kumar, C. Viswanathan, D. Mangalaraj // Crystal. Res. Technol. 38 (2003) 773-778.

4. Eiamchai P. A spectroscopic ellipsometry study of TiO2 thin

films prepared by ion-assisted electron - beam evaporation / P. Eiamchai, P. Chindaudom, A. Pokaipisit, P. Limsuwan // Current Applied Physics 9 (2009) 707-712.

5. Bendavid A. Deposition and modification of titanium dioxide

thin films by filtered arc deposition /A. Bendavid, P.J. Martin, H. Takikawa // Thin Solid Films, vol. 360, pp. 241-249, 2000.

6. Уханов Ю. И. Оптические свойства полупроводников /

Ю. И. Уханов - М.: Наука, 1977. - 368 с.

Виготовлено тонку плiвкy Ti02 методом реактивного магнетронного розпилення на тдкладщ з по-кривного скла.