高能氮离子轰击对四面体非晶碳膜的表面改性和摩擦系数影响的研究

利用过滤阴极真空电弧技术制备了sp³键含量不小于80%的四面体非晶碳(ta-C)膜.利用冷阴极潘宁离子源产生不同能量的氮离子对制备的ta-C薄膜进行轰击,通过X射线光电子能谱和原子力显微镜对薄膜表面结构与形貌进行分析研究.研究表明,随着氮离子的轰击能量的增大,薄膜中的CN键结构略有增大,形成了轻N掺杂;同时,在薄膜表层发生了sp³键结构向sp²键结构的转化;薄膜的表面粗糙度在经过氮离子轰击后从0.2 nm减小至0.18 nm,然后随着轰击能 关键词： 四面体非晶碳 X射线光电子能谱 摩擦系数     

Si表面离子束辅助沉积Ti纳米膜的研究

用离子束技术探讨了Si表面纳米Ti薄膜制备的可行性以及Ti薄膜组织结构与离子束工艺之间的关系。实验进行试样表面预处理、轰击离子能量、离子密度、温度、沉积时间等离子束工艺参数对单晶Si(111)表面沉积的Ti薄膜结构的影响。采用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)分析了Ti膜表面晶粒形貌，并用X射线衍射仪(XRD)和俄歇电子谱仪(AES)分析了Ti膜的结构和成分。由于残余气体的影响，Ti膜发生了不同程度的氧化，随温度升高和轰击离子强度增加氧化愈加明显。     

ZnO纳米薄膜的电化学制备及其AFM形貌表征

利用恒电位电化学沉积方法在ITO导电玻璃基底上制备了纳米ZnO薄膜,并利用原子力显微镜进行了形貌表征。结果显示,当沉积电压为-0．8V时,经过30min的沉积在基底上形成了由规则排列的三角形ZnO晶粒构成的纳米薄膜。对晶粒的形成机理进行了初步的讨论。     

氮离子轰击能量对ta-C:N薄膜结构的影响

利用磁过滤真空阴极电弧技术制备了sp³键含量不小于80%的四面体非晶碳薄膜(ta-C), 然后通过氮离子束改性技术制备了氮掺杂的四面体非晶碳(ta-C:N)薄膜. 利用Raman光谱和X射线光电子能谱对薄膜结构的分析,研究了氮离子轰击能量对ta-C:N薄膜结构的影响. 氮离子对ta-C薄膜的轰击,形成了氮掺杂的ta-C:N薄膜. 氮离子轰击诱导了薄膜中sp³键向sp²键转化, 以及CN键的形成.在ta-C:N薄膜中,氮掺杂的深度和浓度随着氮离子能量的增大而增大. ta-C:N薄膜中sp²键的含量和sp²键团簇的尺寸随着氮离子轰击能量的增大而增加; 在ta-C:N薄膜中, CN键主要由C-N键和C＝N键构成, C-N 键的含量随着氮离子轰击能量的增大而减小,但是C＝N 键含量随着氮离子轰击能量的增大而增大.在ta-C:N薄膜中不含有C≡N键结构.     

X射线研究CeO2缓冲层

我们在有和无离子束辅助两种情形下,在双轴织构Ni基底上制备了CeO2薄膜,结果表明,无离子束辅助沉积时,薄膜表现出(111)取向,在离子能量为240eV,束流为200μA/cm2,基片温度为360℃的条件下沉积的CeO2薄膜呈现出良好的立方织构.另外,我们分析了薄膜应力随温度和离子辅助条件的变化关系,结果表明,离子束轰击可以减小薄膜应力,在360℃附近薄膜应力几乎被完全弛豫.     

氩离子轰击对四面体非晶碳膜内应力和摩擦系数影响的研究

利用磁过滤真空阴极电弧技术制备了sp³键大于80%的四面体非晶碳(ta-C)薄膜, 通过冷阴极离子源产生keV能量的氩离子轰击ta-C薄膜,研究了氩离子轰击能量对ta-C薄膜结构, 内应力以及耐磨性的影响.通过X射线光电子能谱和原子力显微镜研究了氩离子轰击对薄膜结构 与表面形貌的改性,研究表明,氩离子轰击诱导了ta-C薄膜中sp³键向sp²键的转化, 并且随着氩离子轰击能量的增大,薄膜中sp²键的含量逐渐增多, 薄膜内应力随着氩离子轰击能量的增大逐渐减小.氩离子轰击对薄膜的表面形貌有较大影响, 在薄膜表面形成刻蚀坑,并且改变了薄膜的表面粗糙度,随着氩离子轰击能量的增大, 薄膜的表面粗糙度也会逐渐增大.通过摩擦磨损仪的测试结果,氩离子轰击对薄膜的初始摩擦系数影响较大, 但是对薄膜的稳定摩擦系数影响较小,经过氩离子轰击前后的ta-C薄膜的摩擦系数为0.1左右, 并且具有优异的耐磨性.     

氮化铬过渡层对四面体非晶碳薄膜在高速钢基底上附着特性影响的研究

利用磁过滤阴极电弧与磁控溅射相结合的薄膜沉积技术在高速钢基底上 制备了氮化铬/四面体非晶碳(CrN/ta-C)复合涂层, 通过改变过渡层氮化铬(CrN)的制备工艺, 研究了四面体非晶碳(ta-C)薄膜在钢基底材料上的附着特性的变化. 结果表明, 随着氮气流量的增大, CrN/ta-C复合涂层中的氮化铬经过了Cr-Cr₂N-CrN的相变过程. 同时涂层的附着力也随着氮气流量的增大而增加, 但是当氮气流量超过30 sccm时, 涂层附着力会有所下降; 通过改变基片偏压, 复合涂层中氮化铬的择优取向与晶粒结构发生改变, 随着偏压的增大, 涂层附着力也会大大改善, 但是当偏压超过200 V, 涂层附着特性会略微降低. 通过涂层耐磨性的测试也表明, 在高速钢基底上, CrN涂层能显著提高ta-C薄膜在高速钢基底上的附着力, 同时显著提高耐磨特性. 关键词： 附着力 四面体非晶碳薄膜 X射线衍射 拉曼光谱     

铜薄膜等离子改性及表面增强拉曼光谱的研究

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技术是一种基于探测吸附于金属基底表面分子振动光谱的快速无损检测方法,目前广泛应用于表面吸附、电化学催化、传感器、生物医学检测和痕量的检测与分析等领域。本实验采用直流磁控溅射技术在BK7玻璃基底上沉积一层厚度为50 nm的金属铜薄膜,在Ar离子轰击作用下获得不同表面粗糙度的金属铜薄膜样品,从而制备具有不同表面增强拉曼光谱活性的金属基底。实验样品分别通过X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、分光光度计、拉曼光谱仪表征其结构、表面形貌及光学性质。测试结果表明铜膜在Ar离子束轰击前后,样品X射线衍射谱的峰值强度没有发生变化,说明其晶相结构未发生改变;随着离子束能量的增加,薄膜表面粗糙度改变,光学散射强度随着表面粗糙度的增加而增强;离子束薄膜表面改性后,以罗丹明B(Rh B)为探针分子,表征薄膜样品表面增强拉曼的活性,通过对比不同样品表面Rh B的拉曼光谱,发现其光谱强度随金属铜薄膜样品表面粗糙度的增加而增强。     

沉积工艺对二氧化锆薄膜生长特性影响的研究

利用反应离子束溅射、反应磁控溅射和电子束蒸发在K9基底上沉积ZrO2薄膜，并用原子力显微镜对薄膜表面形貌进行测量。通过数值相关运算，对不同工艺条件下薄膜生长界面进行定量描述，得到了薄膜表面的粗糙度指数、横向相关长度、标准偏差粗糙度等参量。由于沉积条件的不同，薄膜生长具有不同的动力学过程。在反应离子束溅射和反应磁控溅射沉积薄膜过程中，薄膜生长动力学行为均可用Kuramoto-Sivashinsky方程来描述，电子束蒸发制备薄膜的过程可以用Mullins扩散模型来描述，并发现在沉积薄膜过程中基底温度和沉积过程的稳定性对薄膜表面特征影响很大。     

离子能量和沉积温度对离子束沉积碳膜表面形貌的影响

利用质量分离的低能离子束沉积技术,得到了非晶碳膜.所用离子能量为50—200eV,衬底温度从室温到800℃.在沉积的能量范围内,衬底为室温时薄膜为类金刚石,表面非常光滑;而600℃下薄膜主要是石墨成分,表面粗糙.沉积能量大于140eV,800℃时薄膜表面分立着高度取向的、垂直衬底表面、相互平行的开口碳管.用高分辨电子显微镜看到了石墨平面的垂直择优取向,离子的浅注入和应力是这种优先取向的主要机理. 关键词： 非晶碳 表面形貌 质量分离低能离子束     

Field emission properties and surface structure of nickel containing amorphous carbon

Nickel containing amorphous carbon (a-C:Ni) films have been deposited by filtered cathodic vacuum arc (FCVA) technique by introducing pure nickel into the graphite target. The field electron emission property of a-C:Ni was improved when compared to that of pure tetrahedral amorphous carbon (ta-C) by FCVA. The emission threshold field of a-C:Ni film is about 5 V μm⁻¹, whilst the threshold field of the ta-C film is about 13 V μm⁻¹. Raman spectroscopy suggests that the sp² clusters in the carbon film increase both in size and number when Ni is introduced. However, the emission was found to degrade to threshold fields beyond 20 V μm⁻¹ after the a-C:Ni film was left in ambient for a week. This observation is attributed to surface absorption of oxygen on the a-C:Ni film, as determined by X-ray Photoelectron Spectroscopy.     

类金刚石薄膜在硅基底上的沉积及其热导率

采用分子动力学方法模拟了碳在晶体硅基底上的沉积过程, 并分析计算了所沉积的类金刚石薄膜的面向及法向热导率. 对沉积过程的模拟表明, 薄膜密度及sp³杂化类型的碳原子所占比例均随沉积高度的增加而减小, 在碳原子以1 eV能量垂直入射的情况下, 在硅基底上沉积的薄膜密度约为2.8 g/cm³, sp³杂化类型的碳原子所占比例约为22%, 均低于碳在金刚石基底上沉积的情况. 采用Green-Kubo方法, 计算了所沉积类金刚石薄膜的热导率, 其面向热导率可以达到相同尺寸规则金刚石晶体的50%左右, 并且随着薄膜密度与sp³杂化类型碳原子所占比例的升高而升高.     

Measurement and analysis of the surface roughness of Ag film used in plasmonic lithography

The silver(Ag)/photoresist(PR)/Ag structure, widely used in plasmonic photolithography, is fabricated on silicon substrate. The surface roughness of the top Ag film is measured and analyzed systematically. In particular, combined with template stripping technology, the lower side of the top Ag film is imaged by an atomic force microscope. The topographies show that the lower side surface is rougher than the initial surface of the subjacent PR film, which is mainly attributable to the deformation caused by particle collisions during the deposition of the Ag film. Additionally, further measurements show that the Ag film deposited on the PR exhibits a flatter upper side morphology than that directly deposited on the silicon substrate. This is explained by the different growth modes of Ag films on different substrates. This work will be beneficial to morphology analysis and performance evaluation for the films in optical and plasmonic devices.     

非平衡磁控溅射制备类石墨碳膜及性能研究

利用中频非平衡磁控溅射技术在单晶硅基底上沉积了类石墨碳膜, 采用Raman光谱、高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜分析了薄膜微观结构和表面形貌; 采用纳米压痕仪和CSM摩擦磨损试验机测试了碳膜力学性能和摩擦学性能. 结果表明: 利用中频非平衡磁控溅射技术沉积的碳膜是一种以sp²键合碳为主、结构非晶、硬度适中、应力较低、表面粗糙度较大、摩擦性能优异的薄膜. 脉冲占空比对薄膜微观结构和性能有显著影响, 随着脉冲占空比的增大, Raman光谱D峰和G峰的强度比I_D/I_G先减小后增大, 而硬度随脉冲占空比的增大却呈现出相反的变化趋势, 即先增大后减小; 大气氛围中的摩擦性能测试表明, 本实验制备的薄膜具有优异的抗磨性能(～10^-11 cm³/N^-1. m^-1)和承载能力(～2.5 GPa). 随脉冲占空比的增大, 薄膜摩擦系数变化甚微而磨损率却呈现先显著减小后轻微增大的变化趋势. 类石墨碳膜优异的摩擦学性能主要归因于其独特的结构、较低的内应力及良好的结构稳定性.     

基于BiFeO_3/ITO复合膜表面钝化的黑硅太阳电池性能研究

采用金属银辅助化学刻蚀法在制绒的硅片表面刻蚀纳米孔形成微纳米双层结构,以期获得高吸收率的太阳能电池用黑硅材料.鉴于微纳米结构会在晶硅表面引入大量的载流子复合中心,利用磁控溅射技术在黑硅太阳电池表面制备了BiFeO_3/ITO复合膜,并对其表面性能和优化效果进行了探索.实验制备的具有微纳米双层结构的黑硅纳米线长约180—320 nm,在300—1000 nm波长范围内入射光反射率均在5%以下.沉积BiFeO_3/ITO复合薄膜后的黑硅太阳能电池反射率略有提高,但仍然具有较强的光吸收性能;采用BiFeO_3/ITO复合膜的黑硅太阳能电池开路电压和短路电流密度分别由最初的0.61 V和28.42 mA/cm~2提升至0.68 V和34.57 mA/cm~2,相应电池的光电转化效率由13.3%上升至16.8%.电池综合性能的改善主要是因为沉积BiFeO_3/ITO复合膜提高了电池光生载流子的有效分离,从而增强了黑硅太阳电池短波区域的光谱响应,表明具有自发极化性能的BiFeO_3薄膜对黑硅太阳能电池的表面性能可起到较好的优化作用.     

铟锡氧化物薄膜表面等离子体损耗降低的研究

本文采用直流磁控溅射方法在普通浮法玻璃基底上制备了立方多晶铁锰矿结构的铟锡氧化物(indium tin oxide, ITO)薄膜,并对其进行了结晶性、表面粗糙度、紫外-可见吸收光谱、折射率、介电常数及霍尔效应的测试.研究了溅射时基底温度的改变对于ITO薄膜的光电、表面等离子体性质的影响.随着基底温度由100?C升高至500?C,其光学带隙(3.64—3.97eV)展宽,减少了电子带间跃迁的概率,有效降低了ITO薄膜的光学损耗.与此同时,对应ITO薄膜的载流子浓度(4.1×10~(20)-—2.48×10~(21)cm~(-3))与迁移率(24.6—32.2 cm~2·V~(-1)·s~(-1))得到提高,电学损耗明显降低.     

不同能级加速过滤电弧沉积四面体非晶碳膜的结构和性能

采用过滤阴极真空电弧技术，通过施加0—2000 V衬底负偏压使沉积离子获得不同能级的入射能量，在单晶硅上制备了四面体非晶碳薄膜.拉曼光谱分析表明，薄膜的结构为非晶sp³骨架中镶嵌着平面关联长度小于1 nm的sp²团簇.原子力显微镜研究表明：在低能级、富sp³能量窗口和次高能级，薄膜中sp³的含量越多，其表面就越光滑，应用sp³浅注入生长机制能够圆满地解释薄膜表面形态与离子入射能量之间的关系；但在高 关键词： 四面体非晶碳 过滤阴极真空电弧 能级     

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The molecular dynamics simulation of interaction between CH⁺ with various energy and fusion material tungsten is conducted. The simulated results show that in the incident process, the sputtering rates of C and H atoms change suddenly at the different exposure doses when the incident energy is 50, 100 and 150eV respectively, a few of W atoms are sputtered in the interaction process, but the sputtering rate is less than 0.24%. When the exposure dose is about 3.92×10¹⁶cm⁻², the incident energy is 50eV, a hydrocarbon firm without W atom is formed on the sample surface bombarded by the ions. A mixed film of W, C and H is formed at the other energy. The deposited rates of C and H atom first decrease then increase with the incident energy increament, the minimum deposited rats appear at 250 and 200eV respectively. The density profiles of C, H atoms, C−H, C−C, W−C bonds in the sample after bombardment move towards the inside of sample, and the C sp³ dominated the sample.