ALD氧化铝单层膜1 064 nm激光损伤特性研究

 采用原子层沉积技术(atomic layer deposition,ALD)在熔石英和BK7玻璃基底上镀制Al2O3单层膜。利用小口径损伤在线测试平台对膜层的1 064 nm激光损伤特性进行了实验测量,获得膜层损伤阈值约为10.3 J/cm2,对比了其与BK7基底损伤阈值之间的差异;利用Nomarski显微镜和原子力显微镜分析讨论了损伤形态的特点,结果表明损伤主要表现为膜层脱落和基片小孔烧蚀,其中小孔深度集中在70 nm～95 nm范围;讨论了损伤发生的诱因,得出膜基界面可能存在吸收源先驱的推断。     

铜膜和铁膜污染物诱导熔石英表面损伤行为的对比研究

采用人工溅射的方式分别在熔石英基片上镀制了光学厚度相近的铜膜和铁膜污染物。研究了熔石英基底在355nm波长的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、膜层厚度、表面微观形貌以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：熔石英表面的金属膜状污染物均导致基片损伤阈值下降,位于前表面的污染物引起的损伤阈值下降更为严重,约为23％。两种污染物薄膜引起基底的损伤形貌、基底损伤阈值的下降幅度与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。从热力学响应角度,结合损伤形貌对污染物诱导熔石英表面形貌的损伤机理进行了讨论。     

表面Al膜污染物诱导熔石英表面损伤特性

在熔石英表面人工溅射一层Al膜污染物,分别测试污染前后熔石英基片在355 nm波长激光辐照下的损伤阈值,并采用透射式光热透镜技术、椭偏仪和光学显微镜研究了污染物Al膜的热吸收、厚度以及激光辐照前后熔石英的损伤形貌。用355 nm波长的脉冲激光分别辐照位于污染的熔石英和洁净的熔石英前后表面的损伤点,并用显微镜在线采集损伤增长图样,测试损伤点面积。实验表明:熔石英前表面的金属Al膜污染物导致基片损伤阈值的下降约30%,后表面的污染物导致基片下降约15%,位于熔石英样片后表面损伤点面积随激光辐照次数呈指数增长,而位于前表面的损伤点面积与激光脉冲辐照次数呈线性增长关系;带有污染的熔石英样片的增长因子比洁净的熔石英样片的增长因子高30%。     

光学玻璃基底原子层同质材料沉积薄膜光谱及激光诱导损伤特性研究

通过原子层沉积技术在熔石英玻璃表面制备了同质材料的单层SiO₂薄膜,对光学薄膜的物理化学性质和强激光辐照下的激光诱导损伤性能进行了深入研究。实验中采用双叔丁基氨基硅烷（BTBAS）和臭氧（O₃）作为反应前驱体,在熔石英光学元件表面进行了SiO₂薄膜的原子层沉积工艺研究,以不同沉积温度条件制备了一系列膜样品。首先对原子层沉积特性和薄膜均匀性展开了研究,发现薄膜生长厚度与沉积循环次数之间符合线性生长规律,验证了制备薄膜的原子级逐层生长特性,并且表面沉积膜层的均匀性很好,其测得膜厚波动不超过2%。然后针对不同温度条件下沉积的SiO₂薄膜,对其粗糙度及各类光谱特性展开了研究,对比结果表明：样品的表面粗糙度在镀膜后有轻微的降低;薄膜样品在200～1 000 nm范围内具有出色的透过率,均超过90%并逐渐趋近于93.3%,且其透射光谱与在裸露熔石英衬底上测得的光谱没有明显差异;镀膜前后荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的差异证实了原子层沉积SiO₂膜中点缺陷（非桥键氧、氧空位、羟基等）的存在,这将会影响薄膜耐损伤性能。最后对衬底和膜样品进行了紫外激光诱导损伤测试,损伤阈值的变化表明熔石英元件表面沉积薄膜后的激光损伤性能有所降低,其零概率损伤阈值从31.8 J·cm-2减小到20 J·cm-2左右,与光谱缺陷情况表征相符合。薄膜中点缺陷部位会吸收紫外激光能量,导致局域温度升高,进而出现激光诱导损伤现象并降低抗激光损伤阈值。在选定的沉积温度范围内,较高温度条件下沉积的SiO₂薄膜其激光诱导损伤性能更好,可以控制沉积温度条件使得元件的抗损伤性能更为接近衬底本身,后续有望通过其他反应参数的优化来获得薄膜抗损伤性能的进一步提升。     

溶胶-凝胶SiO2酸性膜与碱性膜的激光损伤行为

 采用溶胶-凝胶技术分别在K9基片上镀制了光学厚度相近的单层SiO₂酸性膜和碱性膜。测试了两类薄膜的激光损伤阈值;分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜、扫描电镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：相对于碱性膜,酸性膜有更大的热吸收和更小的孔隙率,因此其激光损伤阈值较小;两类薄膜不同的损伤形貌与薄膜的热吸收系数与微观结构有关。     

物理法和化学法制备的单层ZrO2膜的激光损伤行为差异

 分别采用电子束热蒸发技术和溶胶-凝胶技术在K9基片上镀制了光学厚度相近的ZrO₂单层薄膜,测试了两类薄膜的激光损伤阈值。分别采用透射式光热透镜技术、椭偏仪、原子力显微镜和光学显微镜研究了两类薄膜的热吸收、孔隙率、微观表面形貌、激光辐照前薄膜的杂质和缺陷状况以及激光辐照后薄膜的损伤形貌。实验结果表明：两类薄膜的不同损伤形貌与薄膜的热吸收与微观结构有关， 物理法制备的ZrO₂膜结构致密紧凑，膜层的杂质和缺陷多；化学法制备的ZrO₂膜结构疏松多孔，膜层纯净杂质少，激光损伤阈值达26.9 J/cm²；因物理法制备的ZrO₂膜拥有更大的热吸收(115.10×10^-6)和更小的孔隙率(0.20)，其激光损伤阈值较小(18.8 J/cm²)，损伤主要为溅射和应力破坏，而化学法制备的ZrO₂膜的损伤主要为剥层。理论上对实验结果进行了解释。     

人工吸收杂质诱导增透膜损伤阈值研究

为研究杂质大小对增透膜激光损伤阈值(LIDT)影响,利用光刻技术在熔石英基底表面设置厚度为100nm不同直径大小的柱状金属Al“杂质吸收点”,然后在此基础上沉积增透膜。通过Comsol模拟仿真了解损伤过程,并利用532nm纳秒激光器进行阈值测试,对实验数据与样品损伤形貌进行分析,结果表明杂质直径为50um、100um、200um、300um、400um的薄膜损伤阈值分别为18.93J/cm²,18.62J/cm²,17.11J/cm²,15.28J/cm²,13.47J/cm²,呈非线性下降,“杂质吸收点”吸收光能产生热量,传导于增透膜层后产生的轴向热应力超过了薄膜的拉伸强度是膜层损伤的主因。     

制备工艺对HfO2薄膜抗激光损伤能力的影响

采用反应蒸镀法镀制了单层HfO2薄膜,观察了薄膜表面主要的微结构缺陷,研究了基片清洗工艺对薄膜损伤阈值的影响。测量了薄膜沉积前后表面粗糙度变化。结果表明：沉积工艺可以改变粗糙度,并对薄膜抗激光损伤能力有较大的影响。     

多孔TiO2/Al/SiO2纳米复合结构的紫外光吸收特性研究

在SiO2玻璃衬底上用脉冲激光沉积(PLD)技术,分别沉积Ti和Ti/Al膜,经电化学阳极氧化成功制备了多孔TiO2/SiO2和TiO2/Al/SiO2纳米复合结构.其中TiO2薄膜上的微孔阵列高度有序,分布均匀.实验研究了Al过渡层对多孔 TiO2薄膜光吸收特性的影响.结果表明:无Al过渡层的多孔 TiO2薄膜其紫外吸收峰在270 nm处.且峰强不随阳极氧化工艺参数调节;而有Al过渡层的多孔TiO2薄膜其紫外吸收峰红移至293 nm处,峰强和峰形不仅受阳极氧化电压调节而且受Al过渡层厚度的影响也很敏感.进一步分析了两种结构在吸收边附近的光跃迁特性.这些结果对基于多孔 TiO2的光伏电池和紫外光传感器的应用研究非常有益.     

PECVD技术制备单层光学薄膜抗激光损伤特性研究

采用PECVD技术在BK7玻璃基底上沉积了不同厚度的单层SiO2（折射率为1.46）和SiNx（折射率为1.84）光学薄膜,并对这2种膜层进行抗激光损伤阈值（LIDT）测试,分析讨论了PECVD技术制备的单层光学薄膜与抗激光损伤特性之间的关系。实验结果表明:PECVD技术制备的单层SiO2薄膜有较高的LIDT,薄膜光学厚度在o/4~o/2之间时,在光学厚度为350 nm时,LIDT有最小值21.7 J/cm2,光学厚度为433 nm时,LIDT有最大值27.9 J/cm2。SiNx薄膜的LIDT随着光学厚度增加而减小,在光学厚度为o/4时,LIDT有最大值29.3 J/cm2,光学厚度为o/2时,LIDT有最小值4.9 J/cm2。     

二氧化钛薄膜的制备及退火对其形貌、结构的影响

利用磁控溅射技术,在石英基片上沉积Ti膜,分别在400、600、700、900℃的大气中退火获得TiO2薄膜。采用这种制备方式获得的TiO2薄膜呈现不同的颜色,退火温度为400℃的样品为暗紫红色,600℃时为黑色,而在700℃和900℃时均为黄色。采用X射线衍射、扫描电子显微镜（SEM）以及Raman光谱等手段研究了退火温度对TiO2薄膜的结构和形貌的影响。结果表明：退火温度为400℃时,TiO2薄膜为锐钛矿相,温度升高至600℃时,几乎转变为金红石晶相,但仍存在微量锐钛矿相,温度升高至700℃以上,则完全转变为金红石晶相。由XRD衍射图可知退火温度为700℃和900℃时,薄膜的金红石相沿（101）晶面择优取向。     

Investigation of a 4H-SiC metal-insulation-semiconductor structure with an Al2O3/SiO2 stacked dielectric

Atomic layer deposited(ALD) Al2O3 /dry-oxidized ultrathin SiO2 films as a high-k gate dielectric grown on 8°off-axis 4H-SiC(0001) epitaxial wafers are investigated in this paper.The metal-insulation-semiconductor(MIS) capacitors,respectively with different gate dielectric stacks(Al2O3/SiO2,Al2O3,and SiO2) are fabricated and compared with each other.The I-V measurements show that the Al2O3/SiO2 stack has a high breakdown field(≥12 MV/cm) comparable to SiO2,and a relatively low gate leakage current of1×10-7A/cm2 at an electric field of4 MV/cm comparable to Al2O3.The 1-MHz high frequency C-V measurements exhibit that the Al2O3/SiO2 stack has a smaller positive flat-band voltage shift and hysteresis voltage,indicating a less effective charge and slow-trap density near the interface.     

Study on high-reflective coatings of different designs at 532 nm

Conventional HfO2/SiO2 and Al2O3/HfO2/SiO2 double stack high reflective （HR） coatings at 532 nm are deposited by electron beam evaporation onto BK7 substrates. The laser-induced damage threshold （LIDT） of two kinds of HR coatings is tested, showing that the laser damage resistance of the double stack HR coatings （16 J/cm2） is better than that of the conventional HR coatings （12.8 J/cm2）. Besides, the optical properties, surface conditions, and damage morphologies of each group samples are characterized. The results show that laser damage resistance of conventional HR coatings is determined by absorptive defect, while nodular defect is responsible for the LIDT of double stack HR coatings.     

原子层沉积HfO_2薄膜的激光损伤特性分析

以目前激光惯性约束聚变中应用最广泛的高折射率材料二氧化铪(HfO2)为研究对象,在熔石英基底上分别采用TEMAH和HfCl4前驱体制备了HfO2薄膜,沉积温度分别为100,200和300℃。采用椭偏仪和激光量热计对薄膜的光学性能进行了测量分析,采用X射线衍射仪(XRD)对薄膜的微结构进行了测量。最后在小口径激光阈值测量平台上按照1-on-1测量模式对薄膜的损伤阈值进行了测试,并采用扫描电子显微镜(SEM)对损伤形貌进行了分析。研究表明,用同一种前驱体源时,随着沉积温度升高,薄膜折射率增加,吸收增多,损伤阈值降低。在相同温度下,采用有机源制备的薄膜更容易在薄膜内部形成有机残留,导致薄膜吸收增加,损伤阈值降低。采用HfCl4作为前驱体源在100℃制备氧化铪薄膜时,损伤阈值能够达到31.8J/cm2(1064nm,3ns)。     

SiO2/Si衬底上石墨烯的制备与结构表征

在分子束外延(MBE)设备中,利用直接沉积C原子的方法在覆盖有SiO₂的Si衬底(SiO₂/Si)上生长石墨烯,并通过Raman光谱和近边X射线吸收精细结构谱等实验技术对不同衬底温度(500℃,600℃,700℃,900℃,1100℃,1200℃)生长的薄膜进行结构表征.实验结果表明,在衬底温度较低时生长的薄膜是无定形碳,在衬底温度高于700℃时薄膜具有石墨烯的特征,而且石墨烯的结晶质量随着衬底温度的升高而改善,但过高的衬底温度会使石墨烯质量降低.衬底温度为1100℃时结晶质量最好.衬底温度较低时C原子活性较低,难以形成有序的C-sp²六方环.而衬底温度过高时(1200℃),衬底表面部分SiO₂分解,C原子与表面的Si原子或者O原子结合而阻止石墨烯的形成,并产生表面缺陷导致石墨烯结晶变差.     

带隙可调的Al，Mg掺杂ZnO薄膜的制备

利用射频磁控溅射（RF-MS）方法,固定Al₂O₃掺杂量2 wt%,Mg掺杂量分别为1 wt%,3 wt%和5 wt%,在玻璃基底上制备了Al掺杂和Al,Mg共掺杂的ZnO薄膜,在500 ℃空气中退火2 h后,测量并比较了它们的光学和电学性质．结果表明,Al,Mg共掺杂的ZnO薄膜结晶质量良好,具有ZnO纤锌矿结构,具有较强的（002）面衍射峰,表明薄膜晶体沿c轴优先生长;与Al掺杂ZnO薄膜相比蓝端光透射率增加,1 wt%和3 wt% Mg掺杂薄 关键词： 射频磁控溅射 ZnO薄膜 Al Mg共掺杂     

低温铝诱导晶化制备纳米晶硅薄膜的物相和光学性能研究

采用射频磁控溅射镀膜系统,在玻璃衬底上制备了非晶硅(α-Si)/铝(Al)复合薄膜,结合氮气(N₂)气氛中低温快速光热退火制备了纳米晶硅(nc-Si)薄膜;利用光学显微镜、共焦光学显微仪、X射线衍射(XRD)仪、拉曼散射光谱(Raman)仪和紫外-可见光-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)对纳米晶硅薄膜的表面形貌、物相及光学性能进行了表征,研究了退火工艺对薄膜性能的影响。结果表明： 300 ℃,25 min光热退火可使α-Si/Al膜晶化为纳米晶硅薄膜,晶化率为15.56%,晶粒尺寸为1.75 nm;退火温度从300 ℃逐渐升高到400 ℃,纳米晶硅薄膜晶粒尺寸、晶化率、带隙逐渐增加,表面均匀性、晶格畸变量逐渐减小;退火温度从400 ℃逐渐升高到500 ℃,纳米晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶化率继续增加,带隙则逐渐降低;采用纳米晶硅薄膜的吸光模型验证了所制备的纳米晶硅薄膜的光学特性,其光学带隙的变化趋势与吸光模型得出的结果一致。     

Annealing effects on residual stress of HfO2/SiO2 multilayers

HfO2/SiO2 multilayer films were deposited on BK7 glass substrates by electron beam evaporation method.The effects of annealing at the temperature between 200 and 400℃ on residual stresses have been studied.It is found that the residual stress of as-deposited HfO2/SiO2 multilayers is compressive.It becomes tensile after annealing at 200℃,and then the value of tensile stress increases as annealing temperature increases.And cracks appear in the film because tensile stress is too large when the sample is annealed at 400℃.At the same time,the crystallite size increases and interplanar distance decreases with the increase of annealing temperature.The variation of residual stresses is corresponding with the evolution of structures.