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类金刚石薄膜的制备及光学性质研究

丁旭丽  
【摘要】: 类金刚石膜(diamond-like carbon,DLC)是一类在性质上和金刚石很类似,具有sp~2和sp~3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜。依据制备方法和工艺的不同,DLC的性质可以在非常大的范围内变化,既有可能非常类似于金刚石,也有可能非常类似于石墨。其硬度、摩擦系数、热导率、光学带隙、光学透光率、电阻率等等都可以依据需要进行“调制”。类金刚石薄膜集力学、热学、光学、电学等优异的性能于一身,这一特性使DLC深受研究者和应用部门欢迎。我们采用脉冲激光沉积法(PLD)用KrF准分子激光制备了一系列无氢的类金刚石薄膜。通过改变试验参数,研究了各种实验条件对类金刚石薄膜的微结构和光学性质的影响,对进一步推广类金刚石薄膜的应用具有重要的实用价值。论文的主要内容有: (1)在不同的激光脉冲重复频率,生长温度,和激光功率密度下制备了系列无氢的类金石薄膜,发现当激光脉冲重复频率升高时,样品Raman谱中的D峰增强,同时G峰上移,紫外-可见光透射率降低,光学吸收系数变大,光致发光强度增强。在较低生长温度下生长的样品中含有较多的sp~3成分,而在高温下生长的样品中sp~2成分增多。这说明沉积条件发生上述变化时,样品中sp~2相含量增多,sp~2团簇的界域扩大,原子有序性增强。论文用原子有序化模型和Beeman理论解释了上述现象。同时,随着激光功率密度的变化,样品的Raman谱测量结果表明,随着激光功率密度的升起,样品中D峰减弱,I_D/I_G比值减小,说明样品中金刚石成分的增多,但是随着激光功率密度的进一步升起,样品的金刚石特性并没有得到进一步的增强。 (2)测量了无氢类金刚石薄膜的光致发光,光学常数,透射光谱,并由此根据Taue公式求得光学带隙,发现当激光脉冲重复频率或者生长温度升高时,样品的光致发光强度增强,透射率降低,光学带隙减小,薄膜的电阻率减小。试验结果与Raman谱中G峰位的移动和I_D/I_G的比值之间存在着—一的对应关系。样品的发光峰随衬底温度升高而增强和红移。论文详细讨论了材料中局域电子状态和载流子的复合机制,认为样品的光致发光是由于不同界域的sp~2团簇中局域载流子辐射复合而产生的。 (3)在氮气环境中制得了系列无氢类金刚石薄膜,发现当氮气的压强变大时,样品的Raman谱中D峰明显变强,I_D/I_G比值变大,并且随着氮气压强的变大,样品的AFM图显示薄膜的表面变得不平整,薄膜表面有许多颗粒状的物质出现。说明在氮气环境中不利于制备高质量的类金刚石薄膜。论文研究了不同氮压对薄膜结构和光学性质的影响,初步分析了氮气在薄膜生长过程中的作用。


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