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《 机电信息 》
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期刊名称:机电信息
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范文-实验条件对a-CNx:H薄膜光学性质影响的研究进展-机电信息

 实验条件对a-CNx:H薄膜光学性质影响的研究进展

马婷婷1吴卫东1,2
 ( 1. 西南科技大学 理学院,四川 绵阳621010; 
2. 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳621900)
 
摘要:非晶碳氢薄膜 a-CNx:H 是一类具有亚稳态非晶结构的薄膜材料,具有很多类似金刚石的优异特性,本文基于a-CNx:H薄膜优异的光学性质,研究射频功率、基片、刻蚀、退火等不同实验条件下制备的a-CNx:H薄膜,采用综合对比分析法,得出实验条件对其光学性质的影响。
关键词:射频功率 基片 刻蚀 退火 实验条件 a-CNx:H薄膜 光学性质
中图分类号:O484. 41   文献标志码:A
 
非晶碳氢薄膜 a-CNx:H具有优异的光学性质,透过率高达98%,可以用作各种窗口材料,如激光窗口、导弹透镜、航天器窗口、卫星遥感器窗口等,还可作为光学器件的保护膜、增透膜。碳氮薄膜作为一种耐磨涂层、光学保护涂层及新型的半导体材料,目前,无定形碳氮薄膜已经被用作磁性驱动器的保护涂层[1-2],因此对其性质的研究具有非常诱人的前景。本文总结了在不同的射频功率、基片、刻蚀、退火等实验条件下,制备的薄膜光学性质的差异性,。
1.射频功率对薄膜光学性质的影响
Haruhisa Kinoshita等人固定电极的射频功率为10W,然后改变上电极的射频功率,从0W-800W。对射频功率从0到20W和从25W到100W分别进行了研究。
射频功率从25W到100W时,膜的光学带隙从0.8eV减小到0.5eV,而且膜是不透明的。他们认为光学带隙的减少可能是CC双键的形成、薄膜的石墨化等导致[3],在文献[4]中提到,氮作为sp2杂化CC团簇的桥梁原子,所以结合了N的团簇的光学带隙的减小可能可能与sp2杂化CC团簇的尺寸增多有关。
区域2中,随LORF从0到20W时,薄膜的光学带隙很大(约为2eV)且几乎是个常数。而且膜是透明的。他们认为宽的光学带隙可能是由于小尺寸的CC团簇与大量的NH、CH等键的形成引起的,这样的膜是高分子膜。
射频功率在100-800W范围内时, a-CNx:H 薄膜的折射率接近常数,为(2.05±0.06)。薄膜的折射率随UPRF的变化很小,几乎不依赖UPRF变化。这个值与硬类金刚石碳薄膜的折射率(2.0-2.1)很接近。硬类金刚石碳薄膜是由大量的sp2团簇与sp3杂化的C原子及少量的H原子组成。文献[5]认为硬碳薄膜中的电子构成漂移电导,而它们对可见光的反应是很弱的。因此,尽管电阻改变很大,而折射率却改变很小。
当LORF从100到5W时,薄膜的折射率由2.09降到1.54ev。
 
2.  基片对薄膜光学性质的的影响
2.1不同基片对薄膜光学性质的影响
 由于Si的热效应比glass的热效应高,所以在制备a-CNx:H薄膜时,高密度等式离子体中可见与紫外光线的热辐射引起的热效应导致。
因为Si的光学带隙是1.1ev,而玻璃(SiO2)的光学带隙约是4ev.Si与SiO2的热质量相同,因此,(由光与振动引起的)热能将在Si衬底上聚集,并很快产生比在玻璃衬底高的温度。文献6中提到,随着衬底温度的升高,膜的沉积速率增加。
 
2.2基片温度的影响
增加基片温度可以加速表面原子的扩散,有利于将吸附在基片表面的吸附气体排除,增加沉积薄膜与基片之间的结合力,同时还可以减少膜层的内应力[7],使得薄膜生长致密,表面平滑均匀。随着基片温度的升高与离子轰击能量的增加,沉积速率也在提高,使的薄膜中sp2团簇杂化的的尺度增多或密度增加,引起薄膜的光学带隙降低[8]。
3. 退火
退火也是一种对薄膜成品的处理方式,刘益春[]等人对a-CNx:H薄膜进行了退火处理,发现其光学带隙随着退火温度的升高而下降,并使得sp3区的势垒限制作用变弱,光致发光强度下降。这是因为sp3相碳是不稳定的,热退火使得部分sp3相向sp2相转变,而引起了sp2区域尺寸增大。随着退火温度的升高,弱化的C-H健断裂,并将有氢气从样品中释放出来,造成新的缺陷,这些缺陷可以引起发光的猝灭,即降低了材料发光的热稳定性。
1. 刻蚀
光学带隙不受刻蚀的影响,刻蚀前后光学带隙没有发生变化。且刻蚀后,两种膜中N原子浓度不变。
 
2. 结束语
由于不同研究小组采用的实验条件不尽相同,而CNx薄膜的光学性能与其实验条件密切相关,使得对光学性能的评价以及相关机理的分析存在一定的差异,至今未形成统一的认识。因此,本文系统性的总结了射频功率、基片、刻蚀、退火等不同实验条件对a-CNx:H薄膜光学性质的影响。
参考文献:
[1]Zhou P., Scherge M. and David N. L., IEE Trans. Magn. 1995, 31 (6): 2985.
[2]Chen M. Y., X. Lin, STL E Tribology Transaction.1993, 36 (3): 491.
[3]Chen M.Y. Li Dong, Lin X., et al.Analytical electronmicroscopy and Raman spectroscpy studies of carbon nitride thin films. J.Vac.Sci.Techno. A, 1993, 11 (3): 521.
[4]Ong C. W., Zhao X. A., Tsang Y. C., Choy C. L. and Chan P. W., Thin Solid Films, 1996; 280: 1.
[5]Wei J, Hing P, Mo Z Q, Surf. Interface Anal., 1999, 28: 208.
[6]Kaufmann J.H., Metin S., Saperstein D.D., Phys. Rev. B, 1989, 39 (18): 13053
[7] Likawa F., Cerdeir F., Vazquez C., et al., Solid State Communications, 1998, 68(2): 211.
[8]Y. A. Pusep, G. Zanelatto, S. W. Da Silva, et al., Phys. Rev. B, 1998, 58(4): R1770.