[发明专利]一种具有太赫兹波段可控透射率的掺钼氧化锌薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于透明导电薄膜技术领域，具体涉及一种用反应直流磁控溅射法制备在太赫兹波段具有可控透射率的掺钼氧化锌透明导电薄膜的方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)薄膜是一种高简并的半导体材料，以其独特的透明性与导电性结合于一体而广泛应用于光电器件领域如平板显示器和太阳能电池等。其中最具代表性的材料是In₂O₃:Sn(ITO)、SnO₂:F和ZnO:Al(AZO)薄膜。透明导电薄膜材料一般具有高的载流子浓度，费米能级（E_F）位于导带能级（E_C）以上，电阻率可低至10^-4Ω·cm；而且具有宽的禁带宽度（>3eV），使薄膜在可见光及近红外光范围具有高的透射率（>80%）。

目前的透明导电薄膜的载流子浓度已经达到1.5×10²¹ cm^-3，接近上限2×10²¹ cm^-3，因此通过进一步提高载流子浓度来降低电阻率已经很困难，并且很高的载流子浓度会严重影响到透明导电薄膜的光学性能。高价态元素(如Mo、W等)的掺杂提供了解决这一问题的一个新的途径，即通过提高载流子迁移率而非载流子浓度来提高透明导电薄膜的电导率。因此，制备具有高价态差的掺钼氧化锌ZnO：Mo(ZMO)透明导电薄膜具有很大应用价值。

太赫兹波是介于微波和红外辐射之间的电磁辐射，近年来，得益于超快光电子技术和低维半导体技术的发展，为太赫兹波段提供了合适的光源和探测手段，太赫兹科学与技术才得到迅猛发展，可应用于成像、近场显微、无损探伤、安全检测、生物医学、军事等领域。与可见、红外光类似，太赫兹波的应用也需要合适的光学器件，如增透膜、反射镜、分光镜等，这要求开发可用于太赫兹波段的新型光学材料。

金属具有很高的电导率，电磁波在其表面几乎完全反射，可制作反射镜。此外金属还可用于波导，由于脉冲太赫兹波包含了宽频率范围的电磁波，因此要选取群速度色散小的波导。K. Wang报道金属线波导^[1]，利用金属表面等离子体振荡相互耦合作用，太赫兹波被金属线束缚沿该金属线传播，在此情况下电磁波与金属表面的作用面积极小，因此大大降低了传输损耗。超薄的金属薄膜还可用于宽带太赫兹波的阻抗匹配层以减小器件表面的反射太赫兹波^[2-3]。

用不同电导率的掺杂氧化锌导电膜替代金属膜，可制备宽带太赫兹波的阻抗匹配层，同样达到了理想的效果^[4-5]。掺杂氧化锌薄膜随着载流子浓度的增加，其界面反射太赫兹波发生π相位位移，当载流子浓度在一个特定值时，反射波会完全消失，可用于太赫兹器件的防反膜。这和在超薄金属膜中观测到的结果类似，值得注意的是，在金属膜中可调节的参数只有厚度，而氧化物薄膜中可调节的参数除了厚度^[6]外还有载流子浓度(电导率)，这说明用导电半导体氧化物薄膜不仅可代替金属膜，而且可以比金属膜在太赫兹波调控上更具优势。

除了上述阻抗匹配的宽带减反膜外，还需要一些具有特定透射性能的器件。在此我们提供一种不同于控制载流子浓度^[4-5]或膜层厚度^[6]的新方法，在由锌钼镶嵌靶^[7]反应直流磁控溅射制备掺钼氧化锌薄膜后再采用退火工艺改变太赫兹波段的透射性能，实现在太赫兹波段具有可控透射率的光学器件要求。

参考文献：

[1] K Wang, M Mittleman, Nature, 2004, 432: 376

[2] J Kroll, J Darmo, and K Unterrainer 2007 Opt. Express 15 6552

[3] A Thoman, A Kern, H Helm, and M Walther 2008 Phys. Rev. B 77 195405