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

Translated title of the thesis: HfO2-x film and its application in HfO2-x/W/HfO2-x/W multilayer solar selective absorber at high temperature
  • 薛 春木

Student thesis: Master's Thesis

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 Award2017 Feb 9
Original languageChinese
SupervisorJyh-Ming Ting (Supervisor)

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