双激光制备双层结构类金刚石膜的实验研究

利用飞秒激光和纳秒激光分别在氧气氛环境和高真空环境中烧蚀石墨靶材,在硅基底上获得了两种不同的类金刚石膜,通过红外透过曲线的拟合,获得了各自的光学参数;进而设计和制备了不同厚度组合的双层结构类金刚石膜硅基底样品:飞秒激光在氧气氛环境中制备的类金刚石膜具有低折射率、高透过性的特点,所以将其作为双层膜的内层,发挥其红外增透效能;纳秒激光在高真空环境中制备的类金刚石膜具有高硬度、耐蚀性的特点,所以将其作为双层膜的外表层,发挥其抗划、耐蚀的功能。实验测试表明:随着外表保护层厚度的增加,样品的中红外平均透过率逐渐下降0.5%~3%,表面硬度提高7.2~24.7 GPa。碱溶液浸泡试验表明,外表保护层能够承受碱溶液腐蚀,但过薄的保护层不能阻止溶液向膜层内部的渗透,从而使得不具有耐蚀性的红外增透层被腐蚀。研究结果为不同应用目的的双层膜或多层膜结构的设计与制备提供了实验基础。     

飞秒激光沉积红外窗口类金刚石增透保护膜

脉冲激光沉积法是一种制备类金刚石膜(DLC膜)的新技术.总结了脉冲激光法制备DLC膜在激光源、脉宽、沉积气氛及薄膜掺杂等方面的发展趋势.建立了飞秒脉冲激光沉积DLC膜系统,在不同的沉积条件下(如:真空、氧气氛、掺硅等)开展了实验研究,阐明了不同沉积条件对DLC膜性能的影响规律.在硅、锗红外窗口上镀制了工程实用的DLC增...     

双激光沉积锗掺杂类金刚石膜的实验研究

提出了双激光沉积掺杂薄膜技术,利用准分子纳秒激光和飞秒激光分别烧蚀石墨和锗靶材,保持准分子纳秒激光的参数不变,而将飞秒激光的脉冲频率逐次由0提高至500 Hz,在硅基底上获得锗含量逐次增大的掺杂类金刚石膜。实验结果表明:随着锗掺杂量的提高,锗掺杂类金刚石膜的折射率略微增大,消光系数增大7.3倍;表面硬度呈近似的线性降低,降低幅度约为41.3%;内应力呈非线性减小并在某值趋于稳定,降低幅度约为78.1%。牢固度实验结果表明,锗掺杂量的提高可以增强类金刚石膜在基底上的附着性能,但不利于其对溶液的耐腐蚀性。研究结果为不同应用目的的掺杂类金刚石膜及其复合膜层的设计提供了实验基础,且研究方法具有很强的可扩展性,不仅仅限于实验所限薄膜范围。     

脉冲激光沉积低内应力多层类金刚石膜

为解决类金刚石膜内应力极大的问题,利用很薄的岛状结构锗层与较厚的类金刚石层循环,设计并制备了具有低内应力的多层类金刚石膜。其中,类金刚石层为主要功能膜层,起到硬质保护和光学增透的作用;而锗层作为缓冲层,起到缓解纯类金刚石膜内应力过大的问题,同时由于锗层很薄,对整个膜层的机械性能和红外特性的影响很小。测试表明,制备的多层类金刚石膜内应力为2.14 GPa,比纯类金刚石膜降低了39%,通过了GJB2485-95《光学膜层通用规范》中的重摩擦测试;同时,其纳米硬度仍保持在47 GPa的高水平。该多层类金刚石膜可以作为实际应用的红外窗口保护膜。     

激光在硅基底沉积类金刚石膜的光学应用

研究了氧气氛和掺硅对类金刚石(DLC)膜性能的影响机理.采用飞秒激光烧蚀石墨靶材,通过氧气氛、掺硅和离轴平移旋转等技术,在硅基底上镀制出比传统工艺透过率、硬度、附着力和稳定性等性能更优的无氢DLC膜.实验验证了随着氧气氛压强的增大,样片透过率先增大后减小,存在一个最佳气压(2 Pa).并且掺硅有助于改善DLC膜的性能,掺硅量也存在一个最佳值.在3-5 μm波段,正面镀DLC膜、背面镀普通增透膜的硅红外窗口的平均透过率≥91.7%,DLC膜的纳米硬度高达40～50 GPa.且通过军标规定的高温、低温、湿热、盐雾、重摩擦等环境实验.满足光学窗口工程应用的要求.     

非金属掺杂类金刚石膜的研究进展

非金属掺杂类金刚石(DLC)膜可以优化纯类金刚石膜的一些性能.例如:掺磷DLC膜电阻率小,还可以明显提高其血液相容性;掺氮DLC膜不仅电阻率小,可作为半导体材料.还具有热稳定性好的优点;掺氟DLC膜在憎水性、耐蚀性、热稳定性和降低介电常数等方面更为优异;硅掺杂使膜中氢含量减少、内应力减小、粗糙度和摩擦系数降低.对非金属掺杂DLC膜的进展做了概括及分析,展现出其广泛的应用前景.     

大功率准分子激光制备类金刚石膜及场发射性能

采用大功率高重复频率准分子激光溅射热解石墨靶制备了类金刚石膜,研究了激光功率密度和重复频率对类金刚石膜的结构及场发射性能的影响.保持重复频率不变,提高激光功率密度可提高膜中sp3键碳的含量和膜的场发射性能;在最佳激光功率密度下,当重复频率由200 Hz提高到500 Hz,膜中sp3键碳的含量和膜的场发射性能先提高,后降低,在300 Hz时达到最佳.在300 Hz重复频率、1010W/cm2激光功率密度下.膜的发射阈值电场为26 V/μm,在34 V/μm的电场下测得电流密度为14μA/cm2.根据类金刚石膜的场发射机理对上述结果进行了分析解释.     

掺氮类金刚石薄膜的导电性能及退火特性

对含氮的类金刚石薄膜的导电性能进行了研究,发现随着氮含量的增加,沉积薄膜的电导率增加较缓,且当氮含量达到一定值后,氮含量继续增加反而薄膜电导率有所下降.对薄膜进一步热处理,结果表明低掺氮的薄膜退火后导电性能有了较大的提高,而高掺氮的薄膜退火后电导率有所下降.文章通过分析退火前后薄膜的红外光谱,提出了充当施主杂质中心氮原子"激活"的慨念和高掺杂后薄膜中氮原子形成a-CNx结构.从而从微观结构解释了掺氮对类金刚石薄膜导电性电能的影响.     

掺N类金刚石薄膜的制备及微观结构分析

采用直流磁控溅射法,在光学玻璃衬底上沉积类金刚石(DLC)和掺N类金刚石薄膜(DLC:N)。用喇曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FTIR)等研究分析了所制备薄膜的微观结构。喇曼光谱的结果表明,掺N类金刚石膜仍具有典型的类金刚石膜结构,在类金刚石薄膜中掺N不仅有助于提高膜中sp3/sp2的比例,而且还能阻止sp2键向石墨相的转化,稳定并优化薄膜的类金刚石属性。FTIR表明,薄膜中N与C原子形成了C—N、CN及C≡N等键合方式。XPS谱表明,掺N类金刚石膜中除了C和N元素外,还出现了少量的O元素,而C1s和N1s的解谱显示,掺N后的类金刚石膜中的C、N结合能发生了明显的移动,由计算得出薄膜中N的含量为13.5%。薄膜的表面形貌图(AFM)表明,在类金刚石薄膜中掺N能够改善其表面形貌。     

硼掺杂半导体金刚石薄膜的合成与红外吸收特性

用热丝协助化学气相沉积法，用Ｂ２Ｏ３作掺杂剂，用丙酮作碳源，成功地合成了硼掺杂半导体金刚石薄膜．本文报道了未掺杂和硼掺杂金刚石膜红外光谱的研究结果．实验结果表明：在０．３０８ｅＶ和０．３４１ｅＶ处产生的吸收是由于金刚石膜中硼原子的基态到第一、第二激发态的跃迁引起的．这个结果证实了硼原子在金刚石膜中以替位方式存在．     

硅基SiO2平面光波导中硼磷硅玻璃覆盖层的制备和研究

利用等离子体增强化学气相沉积方法．在SiH4／N2O反应气体中掺入PH3和B2H6制备了用于硅基SiO2平面光波导的硼磷硅玻璃覆盖层．分析了磷掺杂和硼掺杂对折射率的影响，提出了选择掺杂气体流量匹配折射率的方法．研究了退火温度和气氛对膜层性能的影响．高温退火使膜层的折射率趋于稳定，对光的吸收损耗减小；采用氧气退火可以抑制和消除氮气退火时膜层中出现的下透明的微晶粒，改善膜层质量．采用多步沉积退火方法，消除了台阶覆盖层出现的空洞和气泡，得到了台阶的覆盖性和覆盖平坦度都较好的硼磷硅玻璃膜层．     

F-DLC疏水性能的研究

用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)法沉积氟化类金刚石(F-DLC)薄膜。俄歇电子能谱分析表明,制备的碳膜为典型的类金刚石结构。接触角测量仪测量了沉积在玻璃基底上的F-DLC薄膜的接触角,采用傅里叶红外分析了薄膜价键结构,原子力显微镜分析了薄膜表面粗糙度;结果表明,氟的掺入稳定了弱极化基团CF2的含量,同时使得薄膜表面平整,薄膜与水的浸润性变差,改善了薄膜疏水性能。研究表明,流量比、沉积温度、退火温度、沉积功率对接触角的影响是先增后减,这主要是由于CF2含量和薄膜表面粗糙度的变化造成的。     

射频功率对红外光学用类金刚石膜结构和性能的影响

利用射频等离子体增强化学气相沉积技术,以CH4为气源,在单晶锗基底上制备了具有红外增透效果的薄膜。Raman光谱分析表明,D峰和G峰分别位于1200~1450 cm-1和1500~1700 cm-1之间,说明薄膜具有典型的类金刚石的特征峰,可知镀制的薄膜是类金刚石膜。通过研究射频功率对类金刚石膜红外透过率以及硬度等性能的影响,分析了类金刚石膜的红外透过率和纳米硬度随着薄膜中sp3含量的增加而增大的原因,从而找出一种利用PECVD方法制备DLC膜的最佳工艺参数。     

激光辐照固态Al膜制备p型重掺杂4H-SiC

通过激光辐照固态Al膜,制备了一种p型重掺杂4H-SiC,分析了Al膜厚度、激光脉冲个数对掺杂结果的影响,验证了不同工艺参数对p型掺杂层表面电学性能的调控作用。结果表明,当Al膜厚度为120nm,脉冲个数为50时,掺杂试样的最大载流子浓度为6.613×10~(17) cm~(-3),最小体电阻率为17.36Ω·cm,掺杂浓度(粒子数浓度)可达6.6×10~(19) cm~(-3)。4H-SiC的Al掺杂改性机理为:在紫外激光作用下,Si—C键断裂,Al原子替代Si原子形成p型掺杂层。     

硼掺杂p-型半导体金刚石薄膜的气相合成及其掺杂行为的研究

利用灯丝热解CVD方法以甲烷和氢气为原料、以单质硼为掺杂源,制备了高晶体品质的硼掺杂多晶金刚石薄膜。其晶体结构及晶格常数与天然立方结构金刚石相同,硼掺杂后未引起金刚石薄膜中非金刚石碳含量的增加。证实了硼掺杂金刚石薄膜为p-型半导体材料,其最大硼掺杂浓度接近10~(20)cm~(-3),最大室温空穴载流子浓度达到10~(18)cm~(-3)。由硼掺杂金刚石薄膜红外吸收数据及类氢模型的估算证实了硼在金刚石的禁带中引入了位于价带以上约0.35eV的受主能级。     

硼掺杂及未掺杂金刚石薄膜的电学和光电导特性

用热丝辅助化学气相沉积法合成了未掺杂及Ｂ掺杂金刚石薄膜，测量了退火前后的电流一电压和光电导特性．实验结果表明，Ｈ原子对未掺杂金刚石膜的电学和光电导特性有很大影响．对于掺杂样品，随着Ｂ含量的增高，Ｂ的作用更加明显，而Ｈ的作用降低．合成的金刚石膜中存在着各种缺陷态，其中包含陷阶型缺陷态，它影响着光电导饱和值的大小和弛豫时间的长短．经６００℃退火后，样品的结构、缺陷态的种类、数量都发生变化，并改变了金刚石膜的电学及光电导特性．     

pπBn型Ⅱ类超晶格暗电流特性研究

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格(T2SL)红外探测器由于具有宽光谱探测能力、较好的材料均匀性、可以抑制载流子俄歇复合率和灵活的能带设计等优点,在长波红外探测领域具有很大的优势。但由于暗电流较大,其性能并未达到理论预测。pπBn结构是在超晶格材料的吸收层和接触层之间增加单极势垒,以抑制G R暗电流和隧穿暗电流。本文分别从理论上研究了吸收层、势垒层和接触层的超晶格能带结构。模拟了pπBn结构的InAs/GaSb T2SL,研究了其吸收层掺杂浓度、势垒层掺杂浓度和势垒厚度对器件暗电流的影响。通过优化吸收层掺杂浓度、势垒层厚度和掺杂浓度,得到暗电流密度为8.35×10-7A/cm-2的pπBn结构InAs/GaSb T2SL,与优化前的结构相比,暗电流降低了一个数量级。研究过程不仅为pπBn结构的InAs/GaSb T2SL器件的低暗电流设计提供了指导,而且为优化超晶格器件的暗电流提供了一种系统的方法。     

类金刚石碳膜在各种后处理条件下稳定行为的研究

本文介绍了类金刚石碳膜的结构和性能在高能离子束辐照、真空热退火及脉冲激光辐照等后处理条件下的变化特征,并就该膜在各种处理条件下的相变机制研究现状进行了评述。     

不同掺氮量的类金刚石薄膜的电导性能

研究了不同含氮量的类金刚石薄膜（DLC:N）的导电性能，发现随着氮含量的增加，薄膜的电导率增加较缓，当氮含量达到一定值（12.8at%)后，薄膜电导率反而随氮含量的继续增加而下降。将薄膜在300℃下退火30min，结果表明低参氮的薄膜退火后导电性能有了较大的提高，而高掺氮的薄膜退火后电导率有所下降。Raman和XPS光谱研究表明，当薄膜中的氮含量达到一定值后，在薄膜中会出现非导电（a-CNx）的成分，因此高掺杂的类金刚石薄膜的电导率下降。FTIR光谱表明，充当施主杂质中心的氮原子在薄膜退火过程中存在被“激活”的现象，从而提高了电导率。因此氮对高掺杂和低掺杂薄膜导电性能的影响是不同的。     

生长温度对类金刚石膜结构和发光性质的影响

使用脉冲激光沉积技术制备了系列无氢类金刚石薄膜,测量了样品的Raman光谱、光吸收光谱和光致发光光谱,研究了薄膜结构和光致发光性质与制备条件的依赖关系。结果表明,这种薄膜是由少量sp2键和大量sp3键组成的非晶碳膜。薄膜的光学带隙在1.68~2.46eV,发光在可见光区呈宽带结构。生长温度能够对类金刚石薄膜的结构和发光性质产生较大影响。当生长温度从室温升高至400℃时,sp2团簇的变大使C原子的有序度增强,从而导致薄膜的光学带隙变窄,发光峰红移且半高宽变小。