Micromechanism and Optical Properties of Transparent ITO Thin Films under Proton Radiation with 100 keV

Qiang Wei1, Sheng-xian Liu1, Dan Wang1, Hai Liu2

1Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials，School of Materials Science and Engineering, Tianjin University,

Tianjin 300072, China; 2Space Materials and Environment Engineering Laboratory, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Email: tju.weiqiang@yahoo.com.cn

Abstract: The ITO thin films were deposited on JGS1 quartz substrate by a sol-gel method. Under the envi-ronment of vacuum and heat sink, the micromechanism and optical properties of transparent indium tin oxide (ITO) thin films were analyzed by AFM, XRD, XPS and spectrophotometer after proton radiation with 100 keV. The experimental results showed the grain size and roughness diminished, the composition and valence of ITO thin films did not change, and the optical transmittance decrease for the ITO thin films was not obvi-ous. The studies about the radiation effect on ITO thin films will help to predict the performance evolution under space radiation environment.

Keywords: proton radiation; indium tin oxide (ITO) thin films; micromechanism; optical transmittance

100keV 质子辐照 ITO 薄膜微观机制与光学性能的研究

魏 强 1，刘圣贤 1，王丹 1，刘海 2

1天津大学材料科学与工程学院，天津市材料功能与复合化重点实验室，天津，中国，300072 2哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室，哈尔滨，中国，150001

Email: tju.weiqiang@yahoo.com.cn

摘 要：采用溶胶凝胶法在 JGS1 石英玻璃基上制备了透明 ITO 薄膜。在模拟空间真空热环境下，分别采用原子力显微镜(AFM)、X 光衍射仪(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)及分光光度计研究了 100keV质子辐照对透明 ITO 薄膜的微观机制与光学性能的影响。试验结果表明，质子辐照作用使 ITO 薄膜晶粒尺寸和粗糙度减小，表面基本成分及价态没有发生改变，所引起 ITO 薄膜光学透过率降低程度也不十分明显。本文工作有助于空间辐射环境下 ITO 薄膜性能演化规律的研究。

关键词：质子辐照；ITO 薄膜；微观机制；透过率

1 引言

随着近年来航天事业的迅速发展，人类对航天器在

轨服役的长寿命和可靠性提出了更高的要求，因此为适

应空间环境而对空间材料进行表面改性以及与此相关

的防护技术得到越来越多的研究[1]。铟锡氧化物（ITO）

是一种 n 型半导体，价带约在 3.5 至 4.3 eV 之间。ITO

薄膜因其具有一系列独特性能，如可见及近红外光谱高

的光学透过率、良好的电导性能、膜层硬度高且耐化学

腐蚀，所以应用于航天器光学材料及热控材料表面，既

保证了所需的光学性能又可以防止航天器表充电，可以

有效防止充放电对航天器的破坏[2-3]。

ITO 导电薄膜的制备可以采用许多方法，而溶胶-

凝胶法是制备材料的低温湿化学合成法，它具有制品纯

度及均匀度高，烧成温度低，反应易于控制、材料成分

可任意调整、成形性好，工艺设备简单等诸多优点，近

些年来受到了国内外学者的关注[4]。本文采用无机金属

盐作为原料，通过溶胶-凝胶的方法在石英玻璃基体上

制备了 ITO 薄膜。在地面空间辐射环境模拟设备中对所

制备的 ITO 导电薄膜进行质子辐照，研究了其辐照前后

表面微观形貌、结构及成分变化，并对其光学性能变化

进行分析。这一研究将有助于预测空间质子辐射环境下

ITO 薄膜性能的变化规律。 基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号 10705021)

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2 实验材料与方法

称取一定量的无水硝酸铟溶于乙酰丙酮中，并在

60℃水浴下搅拌；另外称取一定量的无水氯化锡并在

室温下溶解于无水乙醇。然后，将两溶液在室温下再

混合，继续搅拌 0.5h，将溶液室温下静止 3h 后就得到

了 ITO 溶胶，静止一定时间后即可进行浸涂。选用表

面平整，无肉眼可见缺陷的 JGS1 石英玻璃

(20502mm)为基片。采用浸涂法制备 ITO 透明薄膜。

先将石英玻璃基片平稳垂直匀速浸入溶胶中停留约

10s 后，再用提升机以 0.25cm•s-1的速度平稳垂直匀速

的提拉上来。然后将浸涂后的石英玻璃在 260℃下热

处理 10 分钟，出炉空冷后再进行 550℃回火热处理 20

分钟，并随炉冷却。

辐照是在专门的高层大气离子环境模拟器上进行

的，该设备允许在 10-4Pa 真空和 77K 热沉两种基本背

景环境下进行能量范围为 30-200keV 各种气体离子辐

照试验。本文所选用的辐照源为质子，能量为 100keV，

束流密度 J=0.2A/cm2 ，辐照剂量范围最高达

Ф=2×1016 cm-2，这相当于地球辐射带内约 7 年的辐照

剂量。

采用美国 Di(Digital Instrument) 公司生产的

Dimension 3100 型原子力显微镜对辐照前后表面形貌

进行观察。使用日本理学公司的 D/max-ra 型 X 光衍射

仪进行薄膜小掠射角 X 射线衍射分析。薄膜表面成分

和各元素化学态的分析在日产VG ESCALAB MKII型

X 射线光电子能谱仪上进行，所用 X 射线源为 MgKa。

ITO 薄膜的光学透过率采用 Lambda950 Perkin-Elmer

UV-Vis-NIR 谱仪分光光度计上进行测量。

3 结果与讨论

3.1 微观形貌

能量 100keV 剂量 2×1016cm-2 质子辐照前后 ITO

薄膜表面原子力形貌观察如图 1 所示。从图中可以看

出，辐照前 ITO 薄膜样品表面均匀分布着尺寸约为

10nm 的柱状晶。由于晶界和区域密度变化，其表面粗

糙度 RMS 约为 5.92Å。质子辐照作用后 ITO 薄膜表现

为柱状晶粒尺寸减小。尤其在 2×1016 cm-2 大剂量质子

辐照后致密的柱状晶及其晶界已观察不到，晶粒尺寸

很小趋近于无定形态。质子辐照后表面粗糙度分别为

4.26Å。

3.2 X 衍射分析

图 2 是沉积于石英玻璃基底上的 ITO 膜质子辐照

前后 X 射线衍射图。ITO 薄膜为 In2O3立方结构，且

在晶面(400)择优取向，这与基底温度较高、沉积速率

较低、以及氧环境有关[5]。同时，没有观察到锡或锡

的复合物的晶相，说明 Sn 已结合到 In2O3 中。根据

Scherre 理论计算 ITO 薄膜晶粒尺寸约为 7.92nm。经

能量为 100keV 剂量为 2×1016 cm-2质子辐照后，(400)

晶面晶体衍射效应减弱，无序化程度增加。

3.3 XPS 分析

图 3 所示分别剂量为 1×1016 cm-2质子辐照前后为

O1s，In3d 双峰和 Sn3d 双峰的 XPS 精细谱。如图所示，

没有峰宽化或分裂的迹象，说明对于 In 和 Sn 仅有一

种键合状态。ITO 膜中 In3d5/2的结合能为 445eV，与

In2O3 中 In3+的结合能值相吻合。Sn3d5/2 的结合能为

487eV，与 SnO2中的 Sn4+的结合能相吻合。辐照后 ITO

膜的光电子能谱基本没有变化，ITO 膜的主要组分与

价态没有改变。

3.4 光学性质

ITO 薄膜的光学透过率是衡量其性能的重要指

标。图 4 给出了以石英玻璃作为基底的 ITO 薄膜质子

辐照前后 200-1200nm 波长范围内的透过率光谱。

由图 4 所示，辐照前在可见光和近红外区 ITO 薄

膜光学透过率的平均透过率大于 85%；在紫外光区内，

辐照前后 ITO 膜的光学透过率都急剧下降，这是由于

半导体膜 3.7-4.3eV 带宽的本征光吸收的缘故，ITO 膜

的紫外光区吸收边缘波长在 220nm 左右。经不同剂量

质子辐照作用后 ITO膜的光学透过率呈下降趋势。ITO

薄膜受到剂量为 2×1016 cm-2 的辐照作用以后，其可见

光和近红外光区范围的透过率下降约 6%，但平均透过

率仍然很高，可达 80%以上。

辐照后薄膜的粗糙度减小且结构的均匀性提高；

但是微观结构中缺陷增多和无序化程度增加，因此微

观结构中的缺陷、无序度和结构均匀性等多方面因素

相互制约的结果导致了 ITO 膜光学透过率出现一定程

度的降低[6]。总得来说，质子辐照对 ITO 膜光学透过

率的影响不明显。

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Figure 1. AFM images of ITO films deposited on quartz glass sub-

strate (a) Before irradiation; (b) Proton radiation

图 1. 100keV 质子辐照前后 ITO 薄膜原子力形貌

Figure 2. XRD patterns of ITO films deposited on quartz glass

before and after proton radiation

图 2. 100 keV 质子辐照前后 ITO 膜的 XRD 谱

Figure 3. The narrow scan XPS spectra on the surface of ITO film before and after proton radiation

(a) O1s; (b) In3d; (c) Sn3d

图 3. 辐照前后 ITO 薄膜表面窄扫描 XPS 谱

(c) (b) (a)

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Figure 4. Transmittance of ITO film before and after proton radia-

tion

图 4. 100keV 质子辐照前后 ITO 膜透过率

4 结论

质子辐照作用使 ITO 薄膜晶粒尺寸和粗糙度减

小，表面基本成分及价态没有发生改变，所引起的光

学透过率降低并不十分明显，因此可以认为在空间质

子辐照环境下 ITO 薄膜具有一定的耐受能力，在空间

光学器件上得到应用成为可能，具有进一步深入研究

的价值。

5 致谢

本文得到国家自然科学基金(编号 10705021)的支

持。

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