Electronic, structural and optical characterization

of MgF2 thin films prepared by R-F sputtering

Caractérisations électronique, structurale et optique des couches minces de MgF2

préparées par pulvérisation cathodique Radio Fréquence

K. Hafidi*, M. Azizan, Y. Ijdiyaou, E.L. Ameziane

Laboratoire de Physique du Solide et des Couches Minces, Faculté des Sciences Semlalia,

Université Cadi Ayyad, B .P 2390 Marrakech, Maroc

* Corresponding author. E-mail: k.hafidi@ucam.ac.ma

Received : 18 December 2003; revised version accepted : 30 September 2004

Abstract

With the major developments in thin film solar cells, the need for anti-reflect coating is forever increasing. In this regard, MgF2 is one of the widely used anti-reflect layers. Thin films of this material are usually fabricated by thermal evaporation. However, their adherence to substrates is not satisfactory. In this work, we examine the structural and optical properties of MgF2 thin films prepared by rf-sputtering. This technique presents the advantage of producing films with excellent adherence to their support. The resulting layers are analyzed by using Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD), Grazing Incidence X-ray Reflectometry (GIXR), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and optical reflection and transmission.

The relative intensities of the Mg2p and F1s core level peaks show that the obtained samples are homogenous with a composition Mg : F equal to 1:2. The GIXD exhibits the characteristic peaks of the tetragonal MgF2. The density of these layers, as obtained from X-ray reflectometry measurements, is 3.04g/cm3, which is 4% lower than that of bulk MgF2.

The optical transmission and reflection measurements show that the rf-sputtered MgF2 thin films are transparent in the wavelength range 320 nm to 2400 nm and have a refractive index of 1.4.

Keywords: MgF2; rf -Sputtering; Thin film; Optical properties; Spectroscopy.

Résumé 

Nous présentons une étude des propriétés électroniques, cristallographiques et optiques des couches minces de MgF2 élaborées par pulvérisation cathodique radio fréquence. Cette technique permet de produire des films qui présentent une excellente adhérence aux substrats.

Le profil de la concentration relative du magnésium par rapport à celle du fluore CMg/CF déterminé à partir des intensités relatives des niveaux de cœur Mg2p et F1s, révèle que nos couches minces de MgF2 sont homogènes et ont une composition chimique Mg : F égale à 1 : 2.

La diffraction des rayons X en incidence rasante montre que les couches de MgF2 sont formées par des raies caractéristiques de la phase tétragonale. La densité massique est déduite à partir des mesures de réflectométrie effectuées sur la structure MgF2/c-Si. La valeur ainsi déterminée est de 3.04g/cm3. Ceci montre que les couches élaborées ont une densité légèrement plus faible que le MgF2 massif.

Les spectres de transmission optique et de réflexion optique montrent que les films de MgF2 obtenus sont transparents dans le domaine des longueurs d'ondes 320nm à 2400nm et ont un indice de réfraction de 1.4.

Mots clés : MgF; Pulvérisation cathodique R.F. ; Couche mince ; Propriétés optiques ; Spectroscopie.

© 2015