纳米结构TiN薄膜的制备与性能研究

利用自行研制的磁过滤等离子体设备,在室温条件下的不锈钢基底上成功地制备了性能良好的纳米结构TiN薄膜.运用原子力显微镜和X射线衍射仪对其结构和形貌进行了表征.利用纳米硬度仪测量了TiN薄膜的硬度和弹性模量.结果显示:沉积的TiN薄膜表面非常平整光滑,致密而无缺陷;硬度远高于粗晶TiN的硬度;TiN晶粒尺寸在30～50nm;沉积过程中在基底上施加的负偏压会影响纳米结构TiN薄膜的结构和性能.     

沉积温度对硬质合金表面沉积的SiC薄膜的影响

采用强电流直流伸展电弧等离子体CVD技术,以Ar、H2和四甲基硅烷(TMS)为先驱气体,在YG6硬质合金衬底表面制备了SiC薄膜。实验结果表明:随着沉积温度的升高,薄膜的致密性和平整度提高;但当沉积温度过高时,SiC薄膜的表面开始具有含非晶碳球和呈花瓣状的疏松结构。在合适的沉积温度下,SiC薄膜的致密性和平整度较好,且其具有较好的附着力和一定的强度,而这样的SiC薄膜可以阻止在金刚石涂层沉积过程中硬质合金中含有的Co对金刚石相沉积过程的有害作用。     

立方Y_2O_3薄膜结构、力学及光学性能的研究

采用射频磁控溅射法在本征(100)Si片上和CVD金刚石膜上制备了立方(222)择优取向的Y2O3薄膜,应用AFM观察薄膜的三维形貌表明薄膜表面晶粒致密,缺陷较少,表面粗糙度为8.7 nm;TEM表征薄膜微观结构,表明薄膜为柱状晶结构,柱状晶宽度10~20 nm,而且晶界明显,部分较大晶粒中存在些许位错缺陷;纳米力学探针和划痕仪表征薄膜的力学性能,表明薄膜硬度为20.73 GPa,弹性模量为227.5 GPa,可作为金刚石膜的抗氧化保护膜,并且与金刚石膜的结合较好,结合力约为5 N;FTIR对薄膜的光学性能进行分析,表明双面立方Y2O3薄膜对金刚石膜的最大增透为23%,基本符合Y2O3的理论增透效果。     

化学气相沉积金刚石薄膜成核机理研究

本文综述了在化学气相沉积（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ,ＣＶＤ）金刚石薄膜过程中非金刚石衬底表面金刚石成核机理研究进展。主要讨论了衬底表面缺陷诱导金刚石成核模型,指出最大原子团的存在决定了金刚石成核是否能够在衬底表面发生;分析了金刚石在非金刚石衬底成核时的过渡层问题,提出了过渡层存在机理;对于在等离子体ＣＶＤ中的偏压增强金刚石成核效应,提出的负偏压离子流增强成核模型和正偏压电     

脉冲偏压及退火处理对电弧离子镀N掺杂TiO_2薄膜结构和性能的影响

本文利用电弧离子镀技术,施加不同脉冲偏压,在玻璃基体上沉积了N掺杂TiO2薄膜。研究了基体偏压和热处理对薄膜结构、光吸收性能及光催化降解甲基橙的反应活性。结果表明:随脉冲偏压的提高,薄膜相结构先由锐钛矿向非晶转变然后向锐钛矿和金红石的混合相转变,吸收边先红移后蓝移,透明度先下降后升高。400℃下退火4 h,薄膜结晶形貌更加明显,吸收边进一步红移,透明度提高。原始薄膜和退火后的薄膜都具有高的紫外光催化活性。可见光下经过退火的-300V偏压下制备的薄膜具有最好的光催化活性。     

离子轰击增强金刚石膜与Si衬底结合力的进一步研究

由于金刚石与Si有较大的表面能差,利用化学气相沉积(CVD)制备金刚石膜时,金刚石在镜面光滑的Si表面上成核困难,而负衬底偏压能够增强金刚石在镜面光滑Si表面上的成核,表明金刚石核与Si表面的结合力也得到增强.本文分析衬底负偏压引起的离子轰击对Si表面产生的影响之后,基于离子轰击使得Si衬底表面产生了微缺陷(凹坑)增大了金刚石膜与Si衬底结合的面积,理论研究了离子轰击对金刚石膜与Si衬底结合力的影响.     

甲烷浓度对碳化硅基底金刚石薄膜摩擦性能影响

利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在碳化硅基底上制备金刚石薄膜,采用场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜研究了在不同甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜表面形貌及物相组成,在干摩擦条件下通过往复式摩擦磨损实验测试并计算了已制备金刚石薄膜的摩擦系数和磨损率,结合物相分析及摩擦磨损实验结果分析了甲烷浓度的改变对金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明,由于甲烷气体含量的升高,金刚石薄膜结晶质量下降,薄膜由微米晶向纳米晶转变。摩擦磨损实验结果显示:3%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜耐磨性较好,磨损率为2.2×10^-7 mm³/mN;5%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜摩擦系数最低(0.032),磨损率为5.7×10^-7 mm³/mN,制备的金刚石薄膜的耐磨损性能相比于碳化硅基底(磨损率为9.89×10^-5 mm³/mN)提升了两个数量级,显著提高了碳化硅基底的耐磨性。     

等离子体CVD金刚石薄膜衬底正偏压增强成核效应机理研究

衬底正偏压增强成核效应是最近等离子体ＣＶＤ金刚石薄膜中光滑衬底表面金刚石的成核研究发现的，它对于增强和控制金刚石在非金刚石衬底光滑表面的成核行为具有重要的意义。基于已经得到的实验结果。本文分析了衬底正偏压作用于成核过程的机理，提出了这种效应的电子流密度模型，并且给出了正偏压增强效应与沉积参数的关系，描述了正偏压处于过渡和饱和区时的成核状态，合理地解释了所谓“正偏压阻止成核”现象，本模型的结果与已经     

[100]定向织构生长金刚石薄膜的红外光学性能研究

采用微波等离子增强化学气相沉积法在(100)镜面抛光的硅片衬底上实现了金刚石薄片[100]定向织构生长.并用扫描电子显微镜、拉曼散射和傅立叶红外光谱仪分析测试了不同工艺得到的金刚石薄片的表面形貌、组成结构和红外性能.结果表明:负偏压辅助定向成核和氢的等离子刻蚀不仅促进了金刚石薄膜的定向织构生长,而且还能刻蚀成核期的非金刚石成分.从而提高了金刚石薄片的红外光透过特性.     

碳化硅陶瓷密封材料上沉积复合金刚石薄膜

利用直流辉光等离子体化学气相沉积(DC-GD CVD)设备在碳化硅(SiC)密封材料上沉积复合金刚石薄膜(ICD).实验通过两步工艺,先在SiC上沉积一层微米金刚石薄膜(MCD),然后再沉积一层纳米金刚石薄膜(NCD)形成复合金刚石薄膜(ICD).通过场发射扫面电镜和拉曼测试,研究了MCD、NCD和ICD薄膜的表面形貌和材料结构.各种金刚石薄膜利用轮廓仪、划痕测试和摩擦磨损测试其力学性能.结果显示ICD薄膜既有较强的结合力,其摩擦系数也较低.ICD薄膜涂层的SiC密封环的摩擦系数为0.08 ～0.1.     

Systematic study of various stages during the growth process of diamond-like carbon film by atomic force microscopy

The diamond like carbon (DLC) films have been grown by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (RF-PECVD) in methane-argon plasma. In PECVD, the plasma sheath potential drop arising due to argon plasma was utilized to grow the DLC film on silicon (100) substrate at low temperature without using any external negative bias voltage. The growth process of the DLC film has been studied completely starting from nucleation to continuous film by atomic force microscopy. It was seen that the DLC film nucleates around surface defects on the substrate and that the film growth occurs by both adatom deposition and coalescence between nucleated islands. Raman spectrum confirms that the DLC film nucleates excessively in sp² hybridized state and that during the growth process the fraction of sp³ CH_x (x = 1 − 3) increases which leads to the amorphous nature of the film. Long range uniformity of the film was identified using scanning electron microscope.     

用PECVD在低温衬底上制备类金刚石碳膜

本文报道用 RF PECVD在低温衬底上制备了类金刚石碳(DLC)膜.研究了氢稀释、气体压力和 RF 功率对薄膜性质的影响. 用光透射率、红外吸收谱和小角度X射线衍射谱分析了DLC膜的结构和光学性质.结果表明,这样制备的DLC膜是无定形态的,包含了大量的C-H键,具有良好的透明性.厚度为230nm的DLC膜在480nm后的可见光区和近红外区的透过率大于83;,所导出的Tauc光学带隙在2.7eV和3.7eV之间.本文还探讨了应用这种DLC膜作为二次电子发射材料的可能性.     

类金刚石薄膜碲镉汞红外器件钝化膜的研究

采用等离子增强化学气相法(PECVD)在碲镉汞(MCT)衬底上沉积出纳米团聚的类金刚石薄膜(DLC).用原子力显微镜(AFM )和侧向力显微镜(LFM)对DLC和MCT表面形貌进行表征;用俄歇电子能谱(AES)对DLC/MCT界面附近各元素含量的分布进行分析研究.结果表明:当膜厚达到25nm以上,这种DLC膜就能够有效地抑制MCT中HgTe的分解和Hg与Te的外扩散.AFM 和LFM的观察结果表明,原始MCT晶片经100℃在氮气气氛中退火30min,表面区域出现了不同与MCT的微米量级的新相,而由DLC膜保护的MCT晶片表面就没有观察到这种由分解反应引起的相变.     

4H-SiC衬底表面SiC薄膜的同质外延生长

以4H-SiC为衬底,在不同衬底温度下进行SiC薄膜的同质外延生长。利用反射式高能电子衍射(RHEED)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼(Raman)等测试手段,对生长样品的结构和结晶质量进行了表征。根据测试结果发现,在衬底温度为1200℃时能够得到质量较高的薄膜,在另外两个温度(1100℃和1300℃)条件下得到的薄膜质量是较差的。     

衬底温度对氧化锌薄膜微结构及光学性能的影响

衬底温度是磁控溅射法制备氧化锌薄膜中一个非常重要的工艺指标,探索衬底温度对氧化锌薄膜微结构及光学性能的影响对制备环保型高质量氧化锌紫外屏蔽材料具有重要意义。以质量分数99.99%的氧化锌陶瓷靶为溅射源,利用射频磁控溅射技术在石英衬底上沉积了氧化锌紫外屏蔽薄膜,通过X射线衍射仪、薄膜测厚仪、紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计进行测试和表征,研究了不同衬底温度对ZnO薄膜微结构及光学性能的影响。实验结果表明:制备所得薄膜均为六角纤锌矿结构,具有沿(002)晶面择优取向生长的特点,其晶格常数、晶粒尺寸、透过率、光学能隙、可见荧光、结晶质量等都与衬底温度密切相关,当衬底温度为250 ℃,溅射功率160 W,氩气压强0.5 Pa,氩气流速8.3 mL/min,沉积时间60 min时,所得氧化锌薄膜样品取向性最好,晶粒尺寸最大,薄膜结构致密,具有良好的光学性能和结晶质量。     

磁控溅射衬底加热温度和后退火温度对制备β-Ga2O3薄膜材料的影响

作为宽禁带半导体材料的一员,结构稳定的β-Ga₂O₃具有比SiC和GaN更宽的禁带宽度和更高的巴利加优值,近年来受到科研人员的广泛关注。本文采用射频(RF)磁控溅射法在C面蓝宝石衬底上生长β-Ga₂O₃薄膜,探究溅射过程中衬底加热温度的影响。溅射完成后通过高温退火处理提升薄膜质量,研究衬底加热温度和后退火温度对氧化镓薄膜晶体结构和表面形貌的影响。利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)等测试手段对β-Ga₂O₃薄膜晶体结构、表面形貌等进行分析表征。实验结果表明,随着衬底加热温度的升高,β-Ga₂O₃薄膜表面粗糙度逐渐降低,薄膜晶体质量得到显著提升;在氧气气氛中进行后退火,合适的后退火温度有利于氧化镓薄膜重新结晶、增大晶粒尺寸,能够有效修复薄膜的表面态和点缺陷,对于改善薄膜晶体质量有明显优势。     

衬底温度对磁控溅射法制备掺Ta氧化锌薄膜性能的影响

采用射频磁控溅射法,在不同的衬底温度下制备了钽(Ta)掺杂的氧化锌(ZnO)薄膜,采用X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见分光光度计和光致发光(PL)光谱研究了衬底温度对制备的Ta掺杂ZnO薄膜的组分、微观结构、形貌和光学特性的影响.EDS的检测结果表明,Ta元素成功掺入到了ZnO薄膜;XRD图谱表明,掺入的Ta杂质是替代式杂质,没有破坏ZnO的六方晶格结构,随着衬底温度的升高,(002)衍射峰的强度先增大后降低,在400℃时达到最大;SEM测试表明当衬底温度较高时(400℃和500℃),Ta掺杂ZnO薄膜的晶粒明显变大;紫外-可见透过光谱显示,在可见光范围,Ta掺杂ZnO薄膜的平均透光率均高于80;,衬底不加热时制备的Ta掺杂ZnO的透光率最高;制备的Ta掺杂ZnO薄膜的禁带宽度范围为3.34~3.37eV,衬底温度为500℃时制备的Ta掺杂ZnO薄膜的禁带宽度最小,为3.34eV.PL光谱表明衬底温度为500℃时制备的Ta掺杂ZnO薄膜中缺陷较多,这也是造成薄膜禁带宽度变小的原因.     

气体介质对电弧离子镀沉积类金刚石膜的影响

采用电弧离子镀方法,在Si(100)基底上分别在高纯Ar、高纯H2和C2H2的气氛下沉积类金刚石膜,利用激光Raman谱和X射线光电子能谱(XPS)对沉积膜的结构进行了分析.结果表明与在高纯H2和C2H2气氛下相比,在高纯Ar中沉积类金刚石膜Raman谱的ID/IG值最小,膜中sp3C含量最高为35.55;.纳米压痕仪测量结果表明不同气氛下沉积膜的硬度和弹性模量分别在16.7～34.8GPa和143.2～236.9GPa之间变化.在高纯Ar气氛下沉积膜的硬度和弹性模量最大分别为34.8GPa和236.9GPa.     

Remote plasma deposition of microcrystalline silicon thin-films: Film structure and the role of atomic hydrogen

Microcrystalline silicon films grown in an expanding thermal plasma, i.e. in the absence of ion bombardment, are found to be porous and rich in nano-sized voids. By carrying out an extensive investigation on the material quality of films deposited in the amorphous-to-microcrystalline transition regime, on the microcrystalline silicon growth development, and on the influence of the substrate temperature, it is concluded that the inferior material quality is related to the lack of a sufficient amount of amorphous silicon tissue. As possible cause for the insufficient amount of amorphous silicon tissue, the interaction of atomic hydrogen with amorphous silicon films has been studied in order to highlight a possible competition between film growth and H-induced etching of amorphous silicon, and between film growth and H-induced surface/film modification. The etch rates obtained are too low to compete with film growth. Furthermore, atomic H cannot be considered responsible for the poor quality of amorphous tissue present in the microcrystalline silicon films, as the H up-take mainly takes place in divacancies. These results suggest that ion bombardment may be a necessary condition to provide good quality microcrystalline silicon films.