HfO2-x薄膜之結構與光學性質暨其應用於高溫HfO2-x/W/HfO2-x/W多層太陽能選擇性吸收膜之研究

Abstract

本研究主要目的為使用反應式磁控頻射濺鍍方法，設計開發一新型交互堆疊之HfO2-x/W/HfO2-x/W多層太陽能選擇性吸收膜，並鍍製於不鏽鋼基板上，以期能運用於極高溫(600~1000°C)的情況下。在鍍製多層膜之前，我們首先分別使用兩種靶材：Hf金屬靶與HfO2陶瓷靶，在不同的O2/Ar氣體通量比(r)鍍製單層HfO2-x薄膜於Si基板上，接著進行不同溫度的後熱處理，以探討與比較其微結構與光學性質；接著設計與製備多層選擇性吸收膜，並進行不同溫度條件的熱處理，探討其性能及結構變化。 本論文實驗結果與討論分為三大部分，第一及第二部份是分別探討Hf金屬靶材和HfO2-x陶瓷靶材在相同濺鍍條件下所鍍製的HfO2-x薄膜，進行不同溫度的熱處理後，其各種材料分析的結果與比較。我們以X光薄膜繞射儀(Thin-film XRD)對HfO2-薄膜進行微結構分析，發現所有剛鍍製好的薄膜皆為多晶態結構，而HfO2靶鍍製的膜在無熱處理和相對低溫下退火(600°C和800°C)時，隨著r值增加，其結晶度變好；而Hf靶鍍製的膜之結晶度則普遍較HfO2靶的好。使用場發射掃描式顯微鏡(FE-SEM)則發現薄膜是由?多顆粒所組成的連續膜，而每個顆粒包含數顆小晶粒。兩種靶材鍍製的HfO2-x薄膜退火前的顆粒間距較大，退火後則變小。X光光電子能譜儀(XPS)則被用來分析薄膜表面及縱深成份分析，發現HfO2-x靶材鍍製之HfO2-x薄膜表面的化學計量比會隨著O2/Ar通量比增加而改善，但是通入過量氧氣反而會降低O/Hf比例；縱深成份分析方面，無熱處理和退火後的薄膜都存在著HfSixOy介面層，這個結果對光學常數(折射率和消光係數)的量測有重大影響。光學常數則透過橢圓分光儀(Ellipsometer)取得，在建立擬合模型時需考慮HfSixOy介面層的存在，而非單純的Si基板和SiO2原生氧化層。結果發現，HfO2-x薄膜折射率隨著O2/Ar比增加而達到一飽和值，過量氧氣通入則使折射率下降。 第三部分則是分別使用紫外光/可見光/近紅外光分光光譜儀(UV/vis/NIR Spectrometer)和傅立葉轉換紅外光譜儀(FT-IR)量測逐層堆疊的多層膜、不同底層W膜厚度的多層膜、和設計後之多層膜於不同溫度退火前後的反射率和放射率光譜，並計算其太陽能吸收率及放射率，以及其結構上的變化。結果發現，逐層堆疊之多層膜所得到的吸收率符合其各層所扮演的角色：HfO2-x層具有增透及抗反射效用、金屬W層則在可見光區有高吸收，紅外光區有高反射的特性；不同底層W膜厚度的多層膜之放射率則隨W層厚度增加而增加，經過600°C退火後也皆增加；設計後的多層吸收膜於不同溫度退火後的吸收率皆較退火前來的高，放射率則隨退火溫度增加而增加。

Date of Award	2017 Feb 9
Original language	Chinese
Supervisor	Jyh-Ming Ting (Supervisor)