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类金刚石薄膜a-SiC:H薄膜及环境因素对其结构与特性的影响

刘贵昂  
【摘要】: 随着成膜工艺的日臻成熟,类金刚石(DLC)及a-SiC:H薄膜将得到更加广泛的应用,为了使其应用于航天、航空及核反应堆中的某些关键器件,对这些材料的辐照稳定性研究相当重要,这是本文研究的根本出发点,也是国际上研究的热点之一。本文分别采用射频(13.56MHz)等离子体CVD及射频反应溅射方法制得了DLC及a-SiC:H薄膜。文中主要选择Y射线、紫外光及中子作为辐照源有两方面的原因:一方面,在外层空间,Y射线及紫外光辐射十分严重,而在核辐射环境下Y射线及中子辐射也不可忽视;另一方面,Y射线辐照这两种薄膜完全是一项开创性的工作,同时国内外对紫外光子、中子与这两种薄膜作用的研究也很少。 由于射频等离子体CVD方法具有基底温度低、成膜面积大、结合力强等特点,因此本文采用这一方法淀积这两种薄膜。对辐照前后的样品采用喇曼(Raman)光谱、红外(m)光谱及紫外—可见—近红外(UV—VIS—NIR)光谱等仪器进行分析,根据光子、中子、离子与物质作用的物理机制,对所得结果及其现象进行了解释。由于薄膜中氢的含量与结合状态直接决定其结构与特性,本文利用UV—VIS—NIR光谱及Tauc方法计算得到DLC薄膜的光学带隙,并根据光学带隙数据及完全抑制网络(FCN)模型获得了样品氢含量为10~25%这一结果,从而提出了一种简单确定DLC薄膜中氢含量的新方法。根据UV—VIS—NIR光谱中的干涉条纹,计算出了Y射线辐照下a-SiC:H薄膜的折射率及其变化趋势,并由此得出Y射线辐照导致其氢含量变小及红外透过率变小的结论。有趣的是:还首次用Raman光谱观察到了DLC薄膜中Sp~3C-H键随辐照剂量改变的变化规律,扩大了其在结构分析领域中的应用。 通过本文的研究发现,Y射线、中子、N~+及紫外光子对薄膜的作用效果明显不同。从对Sp~3C-H键破坏能力方面考虑,中子、N~+及紫外光子最强,而Y射线最弱。因此,文中Y射线与薄膜作用时,与其它粒子相比确实出现了一些特殊性。紫外光子对SP~3C-H键的破坏能力如此强,确实出乎我们的意料。通过本文的研究,基本弄清了在辐射环境下这两种薄膜结构与特性的变化规律,为这两种薄膜在该环境中的应用打下了良好的基础。据此我们也可以采取针对性的措施,使之具有更好的辐照稳定性,从而更好地为航天、航空及核工业等高科技部门服务。


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