用于红外光学窗口的多层保护膜

采用GexC1-x（碳化锗）、BP（磷化硼）和-Si（非晶硅）作为高折射率材料,DLC（类金刚石）作为低折射率材料,在ZnS（硫化锌）、GaAs（砷化镓）、Ge（锗）等常用红外光学窗口表面研制了用于长波红外（8～12 m）波段的GexC1-x/DLC、BP/DLC及-Si/DLC系列多层保护膜。通过对比试验,研究了多层红外光学窗口保护膜的光学性能、显微硬度及海洋环境适应性。结合红外窗口及膜系材料特性,对试验结果进行了分析讨论。结果表明:GexC1-x/DLC多层红外保护膜具有最佳的光学性能,BP/DLC多层红外保护膜在海洋环境下具有最佳的保护效果。     

激光沉积红外窗口高性能类金刚石膜技术

类金刚石(DLC)膜具有宽光谱高透射率、高硬度、高热传导及高稳定性等优点,是红外窗口增透保护膜的优选,但现有方法制备的类金刚石膜难以满足高马赫数或海上盐雾等恶劣条件下的应用。激光法相比其他制备方法具有诸多优点,介绍了激光法制备DLC膜的原理及特点,并分析了实现工程应用的难题及关键技术。采用激光沉积法制备出综合性能优异的类金刚石膜,纳米硬度高达44 GPa、内应力仅0.8 GPa、临界刮擦载荷附着力为59.1 mN。正面镀DLC膜,背面镀普通增透膜的硫化锌、硅、锗等红外窗口的平均透射率达82%~91%。实现了150 mm基片的激光法大尺寸均匀薄膜,膜厚不均匀性≤±2%。制备的DLC膜红外窗口通过军标环境适应性试验,并已实现工程化应用。     

基于8-11μm红外窗口系统中减反射与保护膜的研制

随着现代军事空间技术的快速发展,对红外探测器的要求越来越高。同时,对红外光学元件的要求也越来越苛刻。主要研究了硫化锌(ZnS)基底表面减反与保护膜的制备技术,采用介质膜与硬膜复合方法,通过对不同材料的对比分析,最终选取碳化锗(Ge1-xCx)材料作为介质膜与DLC 类金刚石保护膜的过渡层。利用电子束与离子源辅助沉积技术制备介质膜;磁控溅射技术制备过渡层碳化锗;化学气相沉积技术制备DLC 类金刚石保护膜,解决了介质膜与类金刚石保护膜应力匹配的问题,并通过对多种沉积工艺的整合,得到了一套稳定的工艺制备流程。最终在硫化锌基底上制备出的减反射与保护膜平均透过率达到92%,硬度符合要求。     

氧气氛环境对无氢类金刚石膜红外性能的影响

采用飞秒激光制备了无氢氧掺杂类金刚石膜,研究了环境气压对膜层红外性能的影响,并从掺杂含量、原子键、晶态结构等微观特性方面分析了膜层在含氧条件下的演变。研究发现:氧气氛环境可以提高无氢类金刚石膜中金刚石相的含量,有效降低类金刚石膜的红外吸收,从而增强其红外透射性能;膜层折射率可以由气氛环境自由调控,为多层光学膜的设计提供了匹配手段;氧气氛环境未改变类金刚石膜的非晶结构,不会妨害其红外性能。提出了碳膜在含氧条件下的原子键重组模型,丰富了氧掺杂类金刚石膜的研究,为提升类金刚石膜对红外窗口的增透保护提供了理论分析和实践依据。     

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。     

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。     

锗基底3～5μm和8～12μm双波段红外增透膜研究

文中简要叙述了双波段(3～5μm 和8～12μm) 红外增透膜的膜料选择以及锗基底上红外双波段增透膜的设计与镀制,介绍了离子束辅助沉积技术制备该薄膜的过程。提出了采用脉冲真空电弧离子镀技术镀制无氢类金刚石膜作为红外增透膜的保护膜,并讨论了镀制类金刚石膜后,镀膜元件的光谱特性。     

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。     

金刚石膜及类金刚石膜的光学应用研究进展

金刚石膜及类金刚石(DLC)膜由于具有宽光谱透过率高、硬度高、摩擦系数小、化学稳定性好等优点,可以作为多种光学材料如硅、锗、玻璃、硫化锌、MgF2,HgCdTe,KCl等的增透/保护膜,起到抗磨损、抗腐蚀、抗潮解和抗氧化的作用.金刚石膜及类金刚石膜已被应用于太阳能硅电池、高功率CO2激光器窗口、潜望镜红外(IR)窗口、飞机前视红外窗口、导弹头罩窗口和宇航探测器等.总结了这一方面的应用和研究进展,展示了金刚石膜及类金刚石膜巨大的优越性与广阔的应用前景.     

非晶金刚石与非晶碳化锗复合增透保护膜系的设计与实现

为了有效保护硫化锌等红外光学元件并提高其在工作波段的透过率,根据薄膜光学原理进行增透设计,从而获得膜系光学参数;采用射频磁控溅射技术制备非晶碳化锗薄膜,通过调整甲烷流速比调整薄膜的折射率,根据流速比和沉积时间控制膜厚,再用过滤阴极真空电弧技术制备非晶金刚石薄膜,分别改变衬底偏压和沉积时间控制薄膜的折射率和膜厚.利用光谱椭偏仪和台阶仪表征薄膜折射率和膜厚,通过小角X射线反射和X射线光电子谱测试非晶金刚石薄膜的密度和非晶碳化锗薄膜中的锗含量,使用纳米压痕仪和傅里叶红外透射谱仪确定薄膜的硬度和红外透过率.试验表明,非晶金刚石和非晶碳化锗薄膜的折射率分别与薄膜的密度和薄膜中的锗含量密切相关,非晶金刚石与非晶碳化锗复合膜系是硫化锌等红外光学元件性能优异的增透保护膜.     

用低压反应离子镀技术制备的类金刚石薄膜及其表征

以Ar气作为工作气体,CH4作为反应气体,利用低压反应离子镀(RLVIP)技术在Ge基底上成功制备出类金刚石(DLC)薄膜.通过拉曼光谱、Perking Elmer GX型红外光谱仪和Nano Indenter XP型纳米压痕硬度测试计分别表征了类金刚石薄膜的微观结构、光学性能和机械性能.结果表明,类金刚石薄膜(ID ...     

（英）离子束溅射法制备碳化锗薄膜的红外光学特性和力学特性

采用离子束溅射法通过在CH4和Ar 的混合气体中溅射Ge靶材制备碳化锗(Ge1-xCx)薄膜.分别通过原子力显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱以及纳米压痕测试研究了薄膜的表面形貌、化学结构、光学特性和力学特性.同时分析了制备薄膜时的离子源束压和薄膜性质之间的关系.结果表明,薄膜的粗糙度随束压的增大而减小.在较高束压下制备的薄膜含有较少的C元素和较多的Ge-C键.薄膜具有非常好的红外光学特性和力学特性.薄膜在较大波长范围内具有良好的透光性能.C元素含量随着束压的升高而降低,进而导致薄膜的折射率在束压从300 V增大到800 V的过程中逐渐升高.薄膜的硬度大于8 GPa.由于薄膜中的Ge-C键代替了C-C 键和C-Hn键,薄膜的硬度随束压的增加逐渐增加.     

Emission properties of Spindt-type cold cathodes with differentemission cone material

Emission properties of thin film field emission array cathodes with molybdenum, hafnium, diamond-like carbon, and lanthanum hexaboride cones were investigated. Each array consisted of 681 holes and cones (microcells), spaced on 10-μm centers on a silicon substrate. At work functions of more than 5 eV carbon cones had the lowest operating voltage-less than 50 V-due to the high value of the form factor of the cones, which have a sharp ribbed pyramidal shape. However, high current density was not achieved with such cathodes because of the low conductance of this type of diamond-like carbon. Different approaches to increase transconductance provided by one cell are discussed     

非制冷红外探测器多孔硅绝热层的研究

以多孔硅作为绝热层材料,采用超高真空对靶磁控溅射镀膜法,在多孔硅样品表面和硅基底表面沉积氧化钒薄膜。实验采用电化学腐蚀法制备多孔硅,利用场致发射扫描电子显微镜观测了孔隙率为50%,60%,70%三个多孔硅样品的微观形貌。利用显微喇曼光谱法测量其热导率,分别为8.16,7.28和0.624W/mK;利用纳米压入仪测量氧化钒薄膜的显微硬度和杨氏模量,测得沉积在孔隙率为50%,60%,70%的多孔硅基底上氧化钒薄膜的显微硬度分别为1.917,0.928和0.13GPa,杨氏模量分别为31.087,16.921和2.285GPa,而沉积在单晶硅基底的氧化钒薄膜的显微硬度和杨氏模量分别为10.919GPa和193.792GPa,并分析了微观结构差异对多孔硅绝热性能和机械性能的影响,为非制冷红外探测器的工艺制作过程提供一定的热学力学参数。     

类金刚石薄膜作为MgF2红外增透和保护膜的研究

系统地研究了ＭｇＦ２衬底上类金刚石薄膜的折射率和生长速率与淀积工艺之间的关系，在ＭｇＦ２衬底上成功地设计并制备了红外增透和保护膜。理论与实验研究表明，类金刚石薄膜使ＭｇＦ２的红外透过率提高３％以上是完全可靠的，但起红外增透和保护是作用的统一性问题仍有待进一步研究。     

磁过滤阴极真空弧沉积薄膜研究

采用磁过滤阴极真空弧沉积技术对从弧源引起离子束中的大颗粒进行过滤后,在硅和聚合物表面进行离子注入和低能离子束沉积,可获得特性优异的沉积金属膜、超硬膜（类金刚石,CN膜）、陶瓷膜（TiN,TiC）等。电子显微镜观察表明,大颗粒已被过滤,表面结构致密,由于先进行离子注入,在基体表现预先形成了过滤层,从而改善了沉积膜的粘合特性,膜与基体的粘合特性有了明显提高。测量结果表明,沉积膜的硬度、抗磨损和抗腐蚀特性均有了明显提高。非晶金刚石薄膜表面硬度可达到56GPa。     

Ultra High-Stress Liner Comprising Diamond-Like Carbon for Performance Enhancement of p-Channel Multiple-Gate Transistors

We report the demonstration of strained p-channel multiple-gate transistors or FinFETs with a novel liner-stressor material comprising diamond-like carbon (DLC). In this work, a DLC film with very high intrinsic compressive stress up to 6 GPa was employed. For FinFET devices having a 20 nm thin DLC liner stressor, more than 30% enhancement in saturation drain current $I_{rm Dsat}$ is observed over FinFETs without a DLC liner. The performance enhancement is attributed to the coupling of compressive stress from the DLC liner to the channel, leading to hole mobility improvement. Due to its extremely high intrinsic stress value, significant $I_{rm Dsat}$ enhancement is observed even when the thickness of the DLC film deposited is less than 40 nm. The DLC liner stressor is a promising stressor material for performance enhancement of p-channel transistors in future technology nodes.      

碳纳米薄膜材料的研究进展

碳纳米薄膜是一种新型碳纳米材料,因其具有优良的物理和化学性能、很好地应用前景而受到了广泛关注。综述了无定形碳膜、石墨烯膜、类金刚石碳(DLC)膜、金刚石膜、CNx膜和碳纳米管(CNT)膜的制备方法和结构的研究进展,总结了其在不同领域的潜在应用价值。探讨了该研究领域亟待解决的问题以及今后的发展前景。今后一段时间内对碳纳米薄膜材料的制备和应用研究将会更加深入,研究应致力于碳纳米薄膜制备方法的简单化,寻求价格低廉的碳源,同时对应用开发还要有所拓展。