[论文解读] Electrical and optical properties of ITO thin films prepared by DC magnetron sputtering for low-emitting coatings

Hadi Askari, Hamidreza Fallah+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

ZnO doping and propertiesMaterials Science参考文献 1被引用 20

一句话总结

本研究通过在玻璃基底上采用直流磁控溅射技术制备ITO薄膜，旨在优化具有高红外反射率和可见光透光率的低辐射（低E）涂层。通过在400 °C下调节溅射功率和氧气流量，作者实现了89.5%的红外反射率（发射率<11%）和85%的可见光透光率，同时测量了载流子浓度和等离子体波长，以实现电学与光学性能的最佳平衡。

ABSTRACT

Optimized DC magnetron sputtering system for the deposition of transparent conductive oxides (TCOs), such indium tin oxide (ITO) on glass substrate has been applied in order to achieve low-emitting (low-e) transparent coatings. To obtain the concerned electrical resistance and high infrared reflection, first the effect of applied sputtering power then oxygen flow on the properties of films have been investigated. The other depositions parameters are kept constant. Film deposition at at temperature 400 degree of Celsius in oxygen flow of 3 Standard Cubic Centimeters per Minute results in transparent and infrared reflecting coatings. Under this condition the highest attained average reflectance in the infrared is (λ=3-25 micron) 89.5% (lowest emittance equals to less than 11%), whereas transparency in the visible is 85% approximately. Plasma wavelength and carrier concentration was measured.

研究动机与目标

• 开发具有低热发射率的透明导电氧化物（TCO）涂层，用于节能窗户。
• 通过直流磁控溅射优化ITO薄膜的沉积工艺，以提升红外反射率和可见光透光率。
• 研究溅射功率和氧气流量对ITO薄膜电学与光学性能的影响。
• 在低辐射涂层应用中实现高红外反射率与高可见光透射率之间的平衡。
• 测量等离子体波长和载流子浓度，以关联薄膜性能。

提出的方法

• 在固定温度为400 °C的条件下，采用直流磁控溅射在玻璃基底上沉积ITO薄膜。
• 系统地改变溅射功率和氧气流量，同时保持其他沉积参数恒定。
• 将氧气流量优化为3 sccm，以实现理想的薄膜化学计量比和电学性能。
• 在可见光（400–700 nm）和红外光（3–25 μm）光谱范围内测量光学透射率和反射率。
• 通过实验测量等离子体波长和载流子浓度，以评估电学性能。
• 对薄膜厚度和表面形貌进行表征，以支持光学与电学性能分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 改变溅射功率如何影响ITO薄膜的电学与光学性能？
• RQ2 实现高红外反射率和高可见光透光率的ITO薄膜，其最优氧气流量是多少？
• RQ3 通过直流磁控溅射制备的ITO薄膜能否在保持高可见光透射率（>80%）的同时实现低发射率（<11%）？
• RQ4 溅射ITO薄膜中载流子浓度与等离子体波长之间存在何种关系？
• RQ5 沉积温度与氧气流量如何共同影响薄膜在低辐射涂层应用中的性能？

主要发现

• 在400 °C和3 sccm氧气流量下，ITO薄膜在3–25 μm波长范围内平均红外反射率达到89.5%。
• 薄膜的发射率低于11%，证实其适用于低辐射涂层应用。
• 在400–700 nm波长范围内，可见光透射率约为85%，表明其具有高光学清晰度。
• 测得载流子浓度和等离子体波长，为薄膜电导率提供了深入见解。
• 在特定溅射功率与氧气流量组合下实现了最优薄膜性能，其他参数保持恒定。
• 本研究证实，直流磁控溅射可制备出适用于节能玻璃的高性能ITO涂层。