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立方氮化硼薄膜中压应力与红外吸收的关系

张健英  
【摘要】: 立方氮化硼(cBN)具有优异的物理化学性质,如仅次于金刚石的硬度、高温下强的抗氧化能力、不易与铁族金属反应、可进行简单地n型/p型掺杂等。使立方氮化硼(cBN)薄膜在切削刀具、电子和光学器件等方面有着潜在的重要应用前景。目前cBN薄膜主要依靠气相沉积法制备,在制备过程中普遍使用高荷能离子轰击,使薄膜内残留压应力积聚,制得的厚膜短期内会从各种衬底上剥落,尤其是膜厚超过几百纳米的薄膜,其剥落速度更快。解决薄膜中的应力释放问题一直是cBN薄膜研究中的一个热点和难点。同时,cBN薄膜的生长形核过程中不可避免地要先形成sp~2杂化的无定形氮化硼层(aBN)和乱层结构氮化硼(tBN),阻碍了cBN薄膜的外延生长和应用。用简单的方法准确测定薄膜中sp~2杂化氮化硼的含量一直是一个挑战。 本文利用傅立叶红外光谱图(FT-IR)分析薄膜中相含量和应力状况,并同步观测薄膜剥落过程,发现压缩应力不但改变红外吸收峰的位置,而且抑制薄膜中sp~2杂化的BN相的红外吸收峰的强度,通过对该作用的补偿,可以用IR比较准确地测定cBN薄膜中的sp~2杂化的BN相的含量。同时,通过在线测定薄膜剥落过程中红外吸收的变化,发现压缩应力的释放导致了sp~2键合相B-N键的IR峰以及cBN横光学波IR峰的增强。薄膜剥落以后,两者分别增大195%和175%。sp~2键合相的IR峰峰面积非线性增加,这表明tBN层的应力释放滞后于薄膜剥落过程,行为表现有粘弹体特性。在此基础上建立cBN薄膜剥落模型。 在理论上,从红外吸收激发声子的几率公式出发,通过对声子态密度的计算,定性地发现了压缩应力对红外吸收的影响的物理依据。


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