镓膜和GTC膜扫描电镜图像和成分分析

为揭示GTC薄膜的光透过率和电导率的机理，利用场效应扫描电镜观察GTC薄膜的表面形貌，用能谱分析光谱（EDS）测量GTC薄膜的组成元素［15］。图11.16a和11.16b分别给出了图11.15c和11.15d GTC薄膜的平面扫描电镜（SEM）图像和横截面SEM图像。可以看出，热处理后，原本几乎没有孔洞的膜的光滑表面完全变成了有许多洞的薄膜，得到了一种网状结构形式和多孔膜。图11.16c薄膜厚度约2.5 μm。热处理后，薄膜内部形成了许多孔，因此，厚度略有增加到约2.8 μm。图11.16c和11.16d显示了孔外和内部两个不同区域的EDS光谱。值得一提的是，在EDS分析中使用的玻璃基底是石英玻璃，它比普通玻璃具有更少的杂质元素，如钠、镁和钙。图11.16c显示网格状结构（即洞外）由4种元素组成：镓、氧、碳和硅。氧的数量很少，这表明在网格状结构中，大部分镓元素以镓金属的形式存在，而不是镓氧化物。作为一种导电体，很明显镓晶格结构是GTC膜具有高导电性的主要原因。图11.16d表明孔内的元素组成由3种元素组成：氧、硅和镓。与图11.16c相比，可以发现氧的含量与硅的含量成正比，镓的含量很少。也就是说，洞内的大部分氧和硅元素都来自玻璃基底。因此，当加热时，金属镓内部形成了多孔的网状结构。

图11.16　镓膜和GTC膜扫描电镜图像和成分分析［15］

a.印刷镓膜扫描电镜图（插图为横截面SEM图像）；b.GTC膜扫描电镜图（插图为横截面SEM图像）；c.GTC膜孔外的ESD能谱；d.GTC膜孔内的EDS能谱。(www.xing528.com)

这一特殊现象应是黏度、表面张力和液态镓金属的氧化3个因素综合作用的结果［15］。当加热时，液态镓表面会形成一层薄薄的氧化镓膜，保护底层的镓层免受进一步氧化。对于底层镓，当薄膜的温度从30℃上升到400℃时，液态镓的黏度将从0.002 037下降到0.000 885 8 Pa·s，减少到原来的43%［16］。相反，镓的表面张力基本保持不变［17］，仅从722.5 mN/m下降到692 mN/m。因此，黏度的降低可能是多孔结构形成的主要原因。当加热时，表面张力几乎不变，导致薄膜收缩，从而在薄膜上出现孔洞。高速摄像机记录了薄膜表面形态的动态变化过程。图11.17依次为加热后4s、6s、8s、10s、12s和14s的画面，可以看到胶片上的透明区域迅速膨胀。

图11.17　受电加热器加热后薄膜表面的动态外观［15］