TiN太陽光譜選擇性吸收薄膜特性的研究

1、TiN太陽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、氮氣作為反應氣體在Si(111)基底上制備太陽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.而當濺射氣壓為0.35Pa時沉寂的薄膜致密、均勻、色澤金黃，膜厚為132nm，結晶性最好，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。通過對膜層結構、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，具有很高的應用價值?？捎糜谔柤療崞鞯奈鼰岜砻?，并可直接作為光熱轉換建筑材料。0引言近年來，太陽光譜選擇性吸收薄膜的研制及其在工業(yè)上的應用成為熱點。太陽光譜選擇性吸收薄膜是中高溫太陽集熱器的核心部件，許多國家都在積極研究工藝簡單、成本低廉、性能優(yōu)良、穩(wěn)定的中高溫太陽光譜選擇性吸收薄膜。氮化鈦（TiN）薄膜是目前工業(yè)研究和應用最廣泛的薄膜材料之一，其熔點高、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，因而被廣泛關注。氮化鈦薄膜由離子鍵、共價鍵和金屬鍵組成，這使得氮化鈦薄膜具有奇特的光學

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，氮化鈦薄膜呈現(xiàn)出黃金媲美的色澤和光澤；膜層較薄時，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選擇性投射薄膜，在此基礎上，具有裝飾功能的太陽選擇性透射薄膜，在應用于光熱轉換建筑材料方面將極具潛力。作為太陽光譜選擇薄膜，其光學性能依賴于氮與鈦的化學計量比，而在穩(wěn)定的氮氬流量比的條件下，其光學性能又與濺射總壓等密切相關。大量實驗表明，利用反應磁控濺射植被制備氮化鈦薄膜，濺射氣壓對膜的性能及化學成分有很大影響。本文主要討論在穩(wěn)定的氮氬流量比的條件下，以不同的濺射總壓沉積制備氮化鈦

4、薄膜用于太陽光譜選擇性吸收薄膜的光學性能。1實驗1.1樣品制備 本實驗采用沈陽科有真空技術研究所生產(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%的氮氣作為反應氣體，采用直流反應磁控濺射方法，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，放在樣品臺上，在本地真空度達到5.0E-4Pa后，通入氬氣和氮氣，鍍膜過程中，保證穩(wěn)定的氮氬流量比和濺射時間來控制膜層厚

5、度，具體工藝參數(shù)見表1，制備的薄膜樣品結果見表2。表1 沉積氮化鈦薄膜基準工藝參數(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氮氣流量LN2/sccm2氮氬流量比N2/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 樣品的測試薄膜的厚度采用美國VEECO公司的DEKT6M臺階儀測量；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（UV3101PC）測試.采用英國Bede-D1型X射線（XRD）衍射儀對樣品進行物相分析，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）觀測薄膜的表面形貌并利用其離線軟件對薄膜的表面粗糙度進行分析。結果分析通過反復試驗及對沉寂的個樣品的測試對比，樣品符合本文的使用要求。當濺射氣壓為0.35Pa時，膜層更加致密、均勻，色澤金黃，整體上薄膜最佳，膜厚為132nm，結晶性最好，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面心立方結構，薄膜呈現(xiàn)出五個特征的衍射峰，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)強烈的衍射峰，表明制備的TiN薄膜具有擇優(yōu)取向為（200）的多晶結構的立方相。 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（750nm-1000nm）區(qū)域，薄膜的反射率呈顯著的增長趨勢，在波長為1000nm時其反射率已達90%。由此可知，所制備的氮化鈦薄膜對太陽光譜的反射具有很好的選擇性，對可見光、接近可見光的近紅外區(qū)有較低的反射率，而對波長較長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積分球上，采用積分球反射率測定方法，測定樣品在可見-近紅外范圍的單色反射率，由

9、單色反射率計算樣品對太陽輻射的單色吸收率。求得薄膜對太陽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，接近可見光波長的近紅外光，即對可見光和近紅外光有高的吸收率。3結論實驗表明，在濺射功率為105 W，氮氬流量比為1:1.5，基底溫度為600、沉積時間為3h，濺射氣壓為0.35Pa時，結晶性最好，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400-1000nm）對太陽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。 而當濺射氣壓為0.35Pa時沉寂的薄膜致密、均勻、色澤金黃，膜厚為132nm，結晶性最好，電阻率最低為33.8un*