TiN太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜特性的研究

1、TiN太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜的制備及其特性的研究摘要：以直流反應(yīng)磁控濺射的方法作為制備手段，選擇鈦（Ti）為靶材，以氬氣作為工作氣體、氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體在Si(111)基底上制備太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜TiN,使之具有較好的光譜選擇吸收特性。研究發(fā)現(xiàn)：在其它工藝參數(shù)保持不變的情況下，濺射氣壓在0.35-1.50Pa范圍內(nèi)，都能制備出（200）擇優(yōu)取向的立方相TiN.而當(dāng)濺射氣壓為0.35Pa時(shí)沉寂的薄膜致密、均勻、色澤金黃，膜厚為132nm，結(jié)晶性最好，電阻率最低為33.8µ*cm（接近塊體氮化鈦電阻率）。在可見-近紅外光區(qū)（波長(zhǎng)400-1000nm）的平均吸收率a=0.83，最高紅外反

2、射率R=0.90。通過對(duì)膜層結(jié)構(gòu)、膜厚、吸收率及反射率的分析，制備的TiN薄膜光譜選擇性吸收特性良好，具有很高的應(yīng)用價(jià)值?？捎糜谔?yáng)集熱器的吸熱表面，并可直接作為光熱轉(zhuǎn)換建筑材料。0引言近年來(lái)，太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜的研制及其在工業(yè)上的應(yīng)用成為熱點(diǎn)。太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜是中高溫太陽(yáng)集熱器的核心部件，許多國(guó)家都在積極研究工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、性能優(yōu)良、穩(wěn)定的中高溫太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜。氮化鈦（TiN）薄膜是目前工業(yè)研究和應(yīng)用最廣泛的薄膜材料之一，其熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性好，并具有較高的硬度和較低的電阻率，因而被廣泛關(guān)注。氮化鈦薄膜由離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵組成，這使得氮化鈦薄膜具有奇特的光學(xué)

3、性能，表現(xiàn)為氮化鈦薄膜的色澤和光澤隨N/Ti原子比例的變化而變化；N/Ti比例為1時(shí)，氮化鈦薄膜呈現(xiàn)出黃金媲美的色澤和光澤；膜層較薄時(shí)，氮化鈦薄膜在可見光區(qū)半透明而在紅外光區(qū)呈高反射。因此，氮化鈦可作為裝飾薄膜和太陽(yáng)選擇性投射薄膜，在此基礎(chǔ)上，具有裝飾功能的太陽(yáng)選擇性透射薄膜，在應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換建筑材料方面將極具潛力。作為太陽(yáng)光譜選擇薄膜，其光學(xué)性能依賴于氮與鈦的化學(xué)計(jì)量比，而在穩(wěn)定的氮?dú)辶髁勘鹊臈l件下，其光學(xué)性能又與濺射總壓等密切相關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)表明，利用反應(yīng)磁控濺射植被制備氮化鈦薄膜，濺射氣壓對(duì)膜的性能及化學(xué)成分有很大影響。本文主要討論在穩(wěn)定的氮?dú)辶髁勘鹊臈l件下，以不同的濺射總壓沉積制備氮化鈦

4、薄膜用于太陽(yáng)光譜選擇性吸收薄膜的光學(xué)性能。1實(shí)驗(yàn)1.1樣品制備 本實(shí)驗(yàn)采用沈陽(yáng)科有真空技術(shù)研究所生產(chǎn)的CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜儀，以直徑100mm,純度為99.99%的金屬鈦靶為濺射靶材，單面拋光的Si(111)為襯底，純度為99.99%的氬氣作為工作氣體，純度為99.99%的氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體，采用直流反應(yīng)磁控濺射方法，通過改變?yōu)R射氣壓，在Si(111)基底上沉積氮化鈦薄膜。濺射前將Si基底分別用氫氟酸、丙酮、酒精和去離子水超聲波輔助清洗各10min，用高壓氦氣吹干，放在樣品臺(tái)上，在本地真空度達(dá)到5.0E-4Pa后，通入氬氣和氮?dú)?，鍍膜過程中，保證穩(wěn)定的氮?dú)辶髁勘群蜑R射時(shí)間來(lái)控制膜層厚

5、度，具體工藝參數(shù)見表1，制備的薄膜樣品結(jié)果見表2。表1 沉積氮化鈦薄膜基準(zhǔn)工藝參數(shù)的確定沉積氮化鈦（TiN）薄膜工藝參數(shù)工藝參數(shù)的具體數(shù)值本底真空度P底/Pa5.0E-4氬氣流量LAr/sccm30氮?dú)饬髁縇N2/sccm2氮?dú)辶髁勘萅2/Ar1:15濺射功率P功率/W105襯底偏壓U偏/V0基底溫度T/600沉積時(shí)間t/h3靶基距d/mm60襯底材料Si(111)表2 氮化鈦薄膜制備參數(shù)樣品工作總壓P工作/Pa膜厚，nm顏色A0.35132.0金黃B0.50115.8淡黃C0.70124.5黃綠D0.90125.1黃綠E1.10112.2黃F1.30111.9深黃G1.50108.3暗黃1.

6、2 樣品的測(cè)試薄膜的厚度采用美國(guó)VEECO公司的DEKT6M臺(tái)階儀測(cè)量；薄膜在可見-近紅外光譜的范圍的發(fā)射率用日本島津紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)（UV3101PC）測(cè)試.采用英國(guó)Bede-D1型X射線（XRD）衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行物相分析，采用上海愛建納米科技發(fā)展有限公司的AJ-111原子力顯微鏡（AJM）觀測(cè)薄膜的表面形貌并利用其離線軟件對(duì)薄膜的表面粗糙度進(jìn)行分析。結(jié)果分析通過反復(fù)試驗(yàn)及對(duì)沉寂的個(gè)樣品的測(cè)試對(duì)比，樣品符合本文的使用要求。當(dāng)濺射氣壓為0.35Pa時(shí)，膜層更加致密、均勻，色澤金黃，整體上薄膜最佳，膜厚為132nm，結(jié)晶性最好，電阻率最低為33.8un*cm（接近塊體氮化鈦電阻率）。

7、由圖1可知，按照表一提供的工藝參數(shù)沉積的樣品A為TiN薄膜，為NaCl面心立方結(jié)構(gòu)，薄膜呈現(xiàn)出五個(gè)特征的衍射峰，分別是位于2Ø=36.3的（111）衍射峰，位于42.6的（200）衍射峰，位于62.3的（220）衍射峰，位于74.1的（311）衍射峰，位于78.6的（222）衍射峰，其中在衍射角2Ø為42.6的（200）的晶面上出現(xiàn)強(qiáng)烈的衍射峰，表明制備的TiN薄膜具有擇優(yōu)取向?yàn)椋?00）的多晶結(jié)構(gòu)的立方相。 如圖2所示的樣品A的可見-近紅外反射光譜可以看出，薄膜在可見光譜范圍內(nèi)保持了較低的反射率，并且約在455nm存在一個(gè)反射低谷（極小值為10.5%），因而具有一定的的環(huán)

8、保效果，可以避免因反射可見光而造成的光污染，而在近紅外波長(zhǎng)（750nm-1000nm）區(qū)域，薄膜的反射率呈顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在波長(zhǎng)為1000nm時(shí)其反射率已達(dá)90%。由此可知，所制備的氮化鈦薄膜對(duì)太陽(yáng)光譜的反射具有很好的選擇性，對(duì)可見光、接近可見光的近紅外區(qū)有較低的反射率，而對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光有較高的反射率，即該膜在可見光區(qū)半透明而在紅外光區(qū)呈高反射。圖3為樣品A的表面AFM掃描圖。利用AFM離線軟件可以得到其表面均勻粗糙度（R）為2.06nm.從圖上可以看到薄膜表面粗糙度小，膜層致密、均勻。 將薄膜樣品夾在分光光度計(jì)積分球上，采用積分球反射率測(cè)定方法，測(cè)定樣品在可見-近紅外范圍的單色反射率，由

9、單色反射率計(jì)算樣品對(duì)太陽(yáng)輻射的單色吸收率。求得薄膜對(duì)太陽(yáng)輻射的平均吸收率為83%。由于大部分紅外光都反射了，所以吸收的是可見光，接近可見光波長(zhǎng)的近紅外光，即對(duì)可見光和近紅外光有高的吸收率。3結(jié)論實(shí)驗(yàn)表明，在濺射功率為105 W，氮?dú)辶髁勘葹?:1.5，基底溫度為600、沉積時(shí)間為3h，濺射氣壓為0.35Pa時(shí)，結(jié)晶性最好，電阻率最低為33.8µ*cm（接近塊體氮化鈦的電阻率）?？梢?近紅外光區(qū)（波長(zhǎng)400-1000nm）對(duì)太陽(yáng)輻射的平均吸收率為83%，最高紅外反射率為90%，具有良好的光譜選擇性。在以上這些工藝參數(shù)不變的情況下，濺射氣壓在0.35-1.50Pa范圍內(nèi)，都能制備出（200）擇優(yōu)取向的立方相TiN。 而當(dāng)濺射氣壓為0.35Pa時(shí)沉寂的薄膜致密、均勻、色澤金黃，膜厚為132nm，結(jié)晶性最好，電阻率最低為33.8un*