基于热蒸发方法的硫系薄膜制备与光学性能研究【开题报告】

毕业设计开题报告

电子信息科学与技术

基于热蒸发方法的硫系薄膜制备与光学性能研究

一、选题的背景与意义

自二十世纪七十年代以来，薄膜技术得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。薄膜技术材料已成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品的全方位开发与应用。作为信息载体，光子替代电子是历史发展的必然趋势。虽然以光纤通信为代表的光子技术在传输领域获得了蓬勃的发展，获得了Tbit/s 的传输速率，但是光信息处理的核心部分依然依赖着微电子技术。目前电子器件系统及系统的响应时间最快达到ns级，而光子的响应时间可达fs级。光电信号转换能力的滞后和电子线路速度的限制，成了制约信息传输容量的瓶颈。因此，开发新型光器件以推动全光网络的发展已成了人们的共识。

硫属化合物材料具有优异的光电转换特性。采用纳米技术将硫属化合物材料纳米化后，纳米粒子的表面效应引起硫属化合物纳米微粒表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子能谱的变化，对其光学、电学及非线性光学性质等具有重要影响。随着硫系玻璃工艺的日趋成熟，硫系薄膜也逐渐引起了人们的关注。目前，国外对硫系非晶薄膜研究较多，也有了较大进展。从制备上看，不但制备方法多，还制作出了金属掺杂硫系非晶薄膜、掺杂稀土离子的硫系非晶薄膜。《Optical Express》、《Optical Letter》等刊物近几年相继发表了数十篇关于硫系薄膜波导制备及其在光器件应用的研究报道。

在国内，硫系非晶薄膜的研究才处于起步阶段，亟需实现从块状小样品的性能研究到可用于光子芯片的高质量薄膜这一质变过程，从而有效提升我国在未来全光网络关键器件研发中的竞争力。目前制备出的硫系非晶薄膜组分比较单一且含有As等剧毒物质，应考虑选择不含As元素的材料成分，避免As元素对环境的污染，迎合当今环保材料的发展理念。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：

1基本内容

基于气相沉积的技术制备沉积于基体上的薄膜，主要的技术有三类：热蒸发、磁控

溅射、化学气相沉积。对应制备工艺难度的要求以及实验室设备情况，我们采用热蒸发方法制备不含As元素的硫系薄膜。

热蒸发是相对较简单的气相沉积技术。该技术对设备要求简单，易于操作，成本低廉，无需过高温度，适合于小面积镀膜。它目前已经成为使用最为广泛的硫系非晶薄膜制作方法。利用热蒸发制的薄膜材料纯度高，沉积速率比较快。本课题主要研究热蒸发镀膜的技术方法，通过选择、调整热蒸发工艺的各项参数，了解热蒸发工艺参数对形成硫系薄膜的表面粗糙度、成膜速率等方面的影响，并对制备得到的硫系薄膜折射率等光学参数进行测试，从而进一步指导对镀膜参数的控制和选择。

2. 拟解决的主要问题

1）对热蒸发法制备硫系薄膜的了解和认识，掌握实验设备的操作方法。

2）制定初步的工艺参数（温度、流量、蒸发速率等），选择合适的硫系薄膜组分进行硫系薄膜的制备。

3）测试薄膜的光学性能，分析工艺参数对所得薄膜性质的影响。 三、研究的方法与技术路线：

在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。只有当环境中被蒸发物质的分压降低到了它的平衡蒸汽压以下时，才可能有物质的净蒸发。单位源物质表面的物质的净蒸发速率应为∶

?NA?Pe?Ph???2?MRT

α为0-1之间的系数；pe和ph分别是该物质的平衡蒸汽压和实际分压;NA、M、R、T分别为Avogatro常数、原子质量、气体常数和绝对温度；由于物质的平衡蒸汽压 随着温度的上升增加很快(呈指数关系)，因而对物质蒸发速度影响最大的因素是蒸发源的温度。

选择电阻式加热法，用耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发物发生化学反应、无放气现象和其它污染、电阻率合适的钨作为电阻材料。将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状作为加热源。在融化以后、被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用。对于钨丝不能加热的物质，如一些材料的粉末，则用难熔金属板支撑的加热器。对于在固态升华的物质来说，也可以用难熔金属制成的升华用专用容器，这时不仅要考虑加热和支撑，还要考虑被加热物质放气时的物质飞溅。

应用各种材料，如高熔点氧化物、高温裂解BN、石墨、难熔金属等制成的坩埚也可以作为蒸发器。这时加热由二种方式，即传统的电阻加热法和高频加热法，前者依靠缠于坩埚外的电阻丝加热，而后者用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热。显然，后者要求被加热物或坩埚由一定的导电性。

坩埚式蒸发器结构 (袒加热器) 电子束加热装置结构 (热灯丝释出电子)

真空热蒸发技术要求较高的真空度，避免空气分子混入薄膜形成杂质，影响薄膜的质量。另外，由于多组分材料中各组分的熔点不同，在蒸发过程中蒸气分子的浓度会随着蒸发速率的不同而不同，那么所形成的蒸气组分会与靶材的组分有一定的差别，进而会导致所沉积的薄膜成分与靶材存在差异，也会使所形成的薄膜不均匀。

具体的技术方法以及步骤

首先，了解热蒸发制备法的基本工作原理，通过熟知热蒸发方法的原理及实验设备，进一步理解整个制备过程。

其次，选择合适的硫系薄膜组分，制定镀膜工艺参数（温度、流量、蒸发速率等）对材料进行热蒸发制备不含As元素的硫系薄膜。

第三，对制备所得的硫系薄膜进行测试，包括薄膜厚度、表面粗糙度、折射率等参数，通过测试的数据，反过来指导工艺参数选择，并通过反复实验得到最理想的薄膜性

质及其制作工艺参数。 四、研究的总体安排与进度：

1、2010年12月初—2010年12月末，查阅资料，了解硫系薄膜的制备方法、硫系薄膜的应用背景以及国内外对硫系薄膜的研究应用现状，同时制定完成本课题的计划和步骤，完成开题报告；

2、2010年12月末—2011年2月中旬，了解热蒸发法的制备工艺，实验仪器和工作原理并完成文献综述及外文文献翻译；

3、2011年2月中旬—2011年4月中旬，实际操作实验设备制备硫系薄膜，并对其性能进行测试，综合测试和分析结果，得出最优工艺参数；

5、2011年4月中旬—2011年5月初，完成本课题所有项目并撰写论文。 五、主要参考文献：

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