退火後薄膜機械特性分析

本實驗使用奈米壓痕儀器量測薄膜微硬度和彈性模數，探討不同雷射 退火參數下對 FTO 薄膜之機械特性影響。奈米壓痕的施力負載參數皆相同，

Loading、Hold 及 Unloading 時間各 5 秒，且壓痕深度和最大施力分別為 11 nm±10%和 600 µN。

當調整雷射離焦使光斑直徑為 1 mm 時，改變雷射掃描速度從 400 mm/s、

600mm/s、800mm/s、1000mm/s、至 2000mm/s，固定雷射掃描速度和脈衝 重複頻率分別為 164 µJ 和 70 kHz，進行雷射退火實驗。圖 4.11(a)為不同掃 描速度下雷射退火之機械特性。從圖 4.11(a)中得知，FTO 薄膜彈性模數值 從未退火的 52.88 GPa 下降至 48.42 GPa。且雷射能量固定時，改變不同雷 射描掃速度，導致 FTO 薄膜彈性模數值皆比未退火 FTO 薄膜低。從圖 4.11(b) 中得知，FTO 薄膜微硬度值從未退火的 3.76 GPa 上升到 4.49 GPa，雷射退 火後其微硬度平均值為 4.25 GPa，硬度最高值在掃描速度為 600 mm/s。

(a)

(b)

0 400 600 800 1000 2000

Scan speed (mm/s)

Laser energy : 164 J Without laser annealing

0 400 600 800 1000 2000

Scan speed (mm/s)

Laser energy : 164J Without laser annealing

圖 4.11 不同掃描速度下雷射退火之機械特性：(a)彈性模數(b)微硬度

當調整雷射離焦使光斑直徑為 3 mm 時，使掃描速度和脈衝重複頻率分 別固定為 800 mm/s 和 70 kHz 時，改變雷射能量從 69 µJ、92 µJ、126 µJ、

至 164 µJ，進行雷射退火實驗。圖 4.12(a)為使用不同雷射能量下雷射退火 之機械特性。從圖 4.12(a)中得知，雷射能量為 92 µJ 時，FTO 薄膜彈性模 數上升為 55.01 GPa，隨著能量的提升彈性模數逐漸下降至 51.31 GPa。從 圖 4.12(b)得知，當雷射能量提升至 126 µJ 時進行退火實驗，FTO 薄膜的微 硬度值從未退火詴片 3.76 GPa 上升至 4.48 GPa。但雷射能量提高至 164 µJ 時，FTO 薄膜硬度略下降至 4.16 GPa。

(a)

Scan speed : 800 mm/s Without laser annealing

Scan speed : 800 mm/s Without laser annealing

圖 4.12 不同雷射能量下雷射退火之機械特性：(a)彈性模數(b)微硬度

一般來說，薄膜在製備過程中，易產生殘留應力，其對硬度值會產生 影響。我們可藉由退火處理，使薄膜殘留應力釋放，這會造成薄膜硬度值 下降，但這不是決定硬度的唯一條件。從圖 4.11 和圖 4.12 綜合比較，我們 可以發現不同的退火參數條件下，FTO 基板微硬度值有上升的趨勢。接著，

我們引用 Hall-Petch 的關係式(如式 4-1)[24]，可以知道材料的強度與硬度值，

會隨著晶粒變小而增加。

其中， 為降伏強度， ₀為移動一個自由差排所需應力，K 為常數，d 為晶 粒大小。但在奈米尺度下，不少學者證實 inverse Hall-Petch 效應的存在，

當晶粒變小時，材料強度有逐漸降低的現象[31-32]。從圖 4.13 中可知，隨 著晶粒的變小，伴隨著 Hall-Petch 效應，材料強度會變強，但經過了臨界晶 粒時，轉變為 inverse Hall-Petch 效應的，材料強度漸漸弱化。

根據上述理論得知，FTO 薄膜退火過程硬度值改變的原因包括材料內 部殘留應力的釋放和晶粒大小的改變，此結果與 2009 年 Lin 和 Kim[33]提 出在不同溫度進行 ZnO 薄膜退火研究，隨著退火溫度上升，微硬度值有上 升的趨勢相同。

圖 4.13 硬度值和晶粒大小關係圖[32]