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溅射功率密度对TiO2薄膜结晶特性的多物理场仿真分析OA

Multi-Physics Simulation Analysis of Effect of Sputtering Power Density on Crystallization Characteristics of TiO2 Thin Films

中文摘要英文摘要

TiO2薄膜的晶体结构是决定其光催化、光学等核心性能的关键因素,而溅射功率密度则通过调控沉积温度间接影响TiO2薄膜的结晶行为.通过建立溅射功率密度-沉积温度的定量模型,并采用多物理场仿真方法,深入探究溅射功率密度对 TiO2 薄膜结晶行为的调控机制.仿真结果表明:溅射功率密度由0.83 W/cm2 升高至5.00 W/cm²时,薄膜生长表面温度由197℃升高至541℃,基片温度由125℃升高至324℃.表面温度始终高于基片温度,温差介于72~217℃.当表面温度低于400℃时,TiO2薄膜呈非晶态;当表面温度高于400℃后,其形貌开始转变为锐钛矿相.薄膜的结晶结构主要取决于生长表面的温度而非基片温度.该研究指出了温度对于TiO2薄膜晶相转换的重要作用,为利用控制溅射工艺精准调控TiO2薄膜的晶体结构奠定了技术基础,对发展性能优异的TiO2薄膜并应用于工业生产具有重要意义.

The crystal structure of TiO2 films is a key factor in determining their core properties,such as their photo-catalytic and optical performance.Meanwhile,sputtering power density indirectly influences the crystallization behaviour of films by regulating the deposition temperature.In this study,a quantitative model relating sputtering power density and deposition temperature was established,and a multi-physics simulation method was used to thoroughly investigate the regulation mechanism of sputtering power den-sity on the crystallization behavior of TiO2 films.Simulation results show that when the sputtering power density increases from 0.83 W/cm² to 5.00 W/cm²,the surface temperature of the film during growth rises from 197℃to 541℃,and the substrate temperature rises from 125℃to 324℃,with the surface temperature always higher than the substrate(temperature difference 72-217℃).When the surface tem-perature of the growing film is below 400℃,it is in an amorphous state;above 400℃,it transforms into the anatase phase,and the film's crystalline structure is mainly determined by the growth surface tempera-ture.This simulation work clarifies the critical role of temperature in the phase transformation of TiO2 films,provides a theoretical basis for precise control of film crystal structures,and has significant implica-tions for the industrial application of high-performance TiO2 films.

刘智慧;田朋;刘滔;李燕宁;谭秋林

中北大学 微纳器件与系统教育部重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051中北大学 微纳器件与系统教育部重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051中北大学 微纳器件与系统教育部重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051中北大学 微纳器件与系统教育部重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051中北大学 微纳器件与系统教育部重点实验室,山西 太原 030051||中北大学 极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室,山西 太原 030051

信息技术与安全科学

溅射功率密度TiO2薄膜沉积温度薄膜生长表面温度

sputtering power densityTiO2 thin filmdeposition temperaturethin film growth surface temperature

《测试技术学报》 2026 (4)

465-473,9

国家自然科学基金资助项目(52501014)

10.62756/csjs.1671-7449.2026059

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