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BCN薄膜的脉冲激光沉积与成分控制

杨琼  
【摘要】: 本文采用两种靶源(B4C靶,BN/C拼合靶),利用脉冲激光沉积技术在单晶Si基片上制备BCN薄膜,系统研究了沉积工艺、退火条件和靶源形式对其沉积速率、表面形貌、键结构和组分的影响,以期通过工艺控制获得成分可控、组分变化范围宽的BCN系列薄膜材料,满足特定性能对BCN薄膜指定组分的要求,拓宽其应用范围。 首先,以B4C靶材为靶源,通过改变脉冲激光能量密度(1-6 J/cm2),氮气压力(0-15 Pa)和沉积温度(300-750℃)来制备不同组分的BCN薄膜。红外吸收光谱(FTIR)与X射线光电子能谱(XPS)分析表明:薄膜中包含B-N,B-C和N-C化学键,表明形成了B-C-N三元化合物。随着沉积工艺参数的改变,BCN薄膜的沉积速率、表面形貌、键结构和组分相应变化。通过调整激光能量密度、氮气压力、沉积温度等工艺参数,薄膜中B、C和N元素的组分可分别控制在47.3-62.8%,26.4-32.8%和7.2-26.3%的范围内。将BCN薄膜在700℃的真空环境中退火1 h,薄膜结构未发生改变,表现出良好的真空高温稳定性;而在大气环境中退火温度达到600℃时,BCN薄膜表面已发生氧化分解,且有C-N键形成。 由于利用单一B4C靶源制备的BCN薄膜的组分特别是C含量变化范围有限,我们选用BN/C拼合靶,通过改变沉积气氛和靶材的拼合方式,进一步制备组分变化范围更宽的BCN薄膜。FTIR和XPS分析结果表明,所制备的薄膜中也形成了B-C-N三元化合物。在相同沉积条件下,随着拼合靶中石墨比率的增加,BCN薄膜中的C元素含量增加(变化范围36.8%-85.9%),而B和N含量呈降低趋势。对于同一种靶材,当氮气压力增加时,薄膜中N-C键和N含量均增大。将BCN薄膜在600℃的真空环境中退火1 h时,薄膜结构没有变化,具备较好的真空高温热稳定性;而在600℃大气环境中退火1 h时,BCN薄膜表面发生氧化分解,主要以氧化物的形式存在。


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