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實驗條件對aCNxH薄膜光學性質影響的研究進展 馬婷婷1吳衛東1,2 (1.西南科技大學理學院,四川綿陽621010;2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽621900) 摘要:非晶碳氫薄膜a?xH是一類具有亞穩態非晶結構的薄膜材料,具有很多類似金剛石的優異特性,現基于a?xH薄膜優異的光學性質,研究射頻功率、基片、刻蝕、退火等不同實驗條件下制備的a?xH薄膜,采用綜合對比分析法,得出實驗條件對其光學性質的影響。 關鍵詞:射頻功率;基片;刻蝕;退火;實驗條件;a?xh薄膜;光學性質 0引言 非晶碳氫薄膜a?xH具有優異的光學性質,透過率高達98%,可以用作各種窗口材料,如激光窗口、導彈透鏡、航天器窗口、衛星遙感器窗口等,還可作為光學器件的保護膜、增透膜。碳氮薄膜作為一種耐磨涂層、光學保護涂層及新型半導體材料,目前,無定形碳氮薄膜已被用作磁性驅動器的保護涂層1?2,其應用具有非常誘人的前景,因此對其性質進行研究十分有必要。 本文總結了在不同的射頻功率、基片、刻蝕、退火等實驗條件下制備的薄膜光學性質的差異性。 1射頻功率對薄膜光學性質的影響 HaruhisaKinoshita等人固定電極的射頻功率為10W,然后改變上電極的射頻功率,從0800W,對射頻功率020W、25100W和100800W情況下薄膜的光學性質分別進行了研究。 射頻功率在020W時,薄膜的光學帶隙很大(約為2eV),幾乎是個常數,而且膜是透明的。他們認為寬光學帶隙可能是由于小尺寸的CC團簇與大量的NH、CH等鍵的形成引起的,這樣的膜是高分子膜。 射頻功率在25100W時,膜的光學帶隙從0.8eV減小到0.5eV,而且膜是不透明的。他們認為光學帶隙的減少可能是CC雙鍵的形成、薄膜的石墨化等導致的3,在文獻4中提到,氮作為sp2雜化CC團簇的橋梁原子,其結合了N的團簇的光學帶隙的減小可能與sp2雜化CC團簇的尺寸增大有關。 射頻功率在100800W范圍內時,a?xH薄膜的折射率接近常數,為2.050.06。薄膜的折射率隨UPRF變化很小,幾乎不依賴UPRF變化。這個值與硬類金剛石碳薄膜的折射率2.02.1很接近。硬類金剛石碳薄膜是由大量的sp2團簇與sp3雜化的C原子及少量的H原子組成。文獻5認為硬碳薄膜中的電子構成漂移電導,而它們對可見光的反應是很弱的。因此,盡管電阻改變很大,而折射率卻改變很小。 射頻功率從100W降到5W時,薄膜的光學帶隙由2.09eV降到1.54eV。 2基片對薄膜光學性質的影響 2.1不同基片對薄膜光學性質的影響 由于Si片的熱效應比SiO2(玻璃)片的熱效應高,所以在制備a?xH薄膜時,真空室的高密度等離子體中可見紫外光線熱輻射引起的熱效應,Si片的溫度高于SiO2片的溫度。因此,Si片上沉積的薄膜sp2相較多,而sp2石墨相透光性比較差,sp3金剛石相透光性比較好。可見,相同實驗條件下,Si片沉積的薄膜透光性要優于SiO2片沉積的薄膜。 因為Si的光學帶隙是1.1eV,而SiO2的光學帶隙約為4eV,Si與SiO2的熱質量相同,因此,(由光與振動引起的)熱能將在Si襯底上聚集,并很快產生比在玻璃襯底上高的溫度。文獻6中提到,隨著襯底溫度的升高,膜的沉積速率增加。 2.2基片溫度的影響 增加基片溫度可以加速表面原子的擴散,有利于將吸附在基片表面的吸附氣體排除,增加沉積薄膜與基片之間的結合力,同時還可以減少膜層的內應力7,使得薄膜生長致密,表面平滑均勻。隨著基片溫度的升高與離子轟擊能量的增加,沉積速率也在提高,使得薄膜中sp2團簇雜化的尺度增多或密度增加,將引起薄膜的光學帶隙降低8。 3退火 退火也是一種對薄膜成品的處理方式,劉益春等人對a?xH薄膜進行了退火處理,發現其光學帶隙隨著退火溫度的升高而下降,并使得sp3區的勢壘限制作用變弱,光致發光強度下降。這是因為sp3相碳是不穩定的,熱退火使得部分sp3相向sp2相轉變,引起了sp2區域尺寸增大。隨著退火溫度的升高,弱化的CH鍵斷裂,并有氫氣從樣品中釋放出來,造成新的缺陷,這些缺陷可以引起發光的猝滅,即降低了材料發光的熱穩定性。 4刻蝕 光學帶隙不受刻蝕的影響,刻蝕前后光學帶隙沒有發生變化,刻蝕后膜中N原子濃度不變。 5結語 由于不同研究小組采用的實驗條件不盡相同,而a?xH薄膜的光學性能與其實驗條件密切相關,于是對光學性能的評價以及相關機理的分析也存在一定差異,至今未形成統一的認識。 因此,本文系統性地總結了射頻功率、基片、刻蝕、退火等不同實驗條件對a?xH薄膜光學性質的影響。 參考文獻 1LommelB,HartmannW,KindlerB,etal.PreparationofSelf?supportingCarbonThinFilmsJ.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA,xx,480(1):199?203. 2RobertsonJ.Diamond?likeAmorphousCarbonJ.MaterialsScienceandEngineeringR,xx,37(4):129?281. 3BeemanD,SilvermanJ,LyndsR,etal.ModelingStudiesofAmorphousCarbonJ.PhysicalReviewsB,1984,30(2):870?875. 4FerrariC,RobertsonJ.InterpretationofRamanSpectraofDisorderedandAmorphousCarbonJ.PhysicalReviewB,2000,61(20):14095?14107. 5Maier?KomorP,DollingerG,FreyCM,etal.CompletionofthePlantforLaserPlasmaAblation?depositionofCarbonJ.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA,1995,362(1):208?212. 6FolgerH,HartmannW,HebergerFP,etal.Developmentof207Pb,208Pband209BiTargetWheelsintheSynthesisof107Ns, 108Hsand109MtJ.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA,1993,334(1):69?79. 7GrimsditchMH,AnastassakisE,CardonaM.EffectofUniaxialStressontheZone?centerOpticalPhononofDiamondJ.Phys.Rev.B,1978,18(2):901?904. 8SurianiAB,RosazleyR,Sakr

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