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PECVD制备DLC薄膜的表面形貌和光学特性研究

潘德芳  
【摘要】:类金刚石(DLC)薄膜是一系列含有金刚石结构(sp3键)和石墨结构(sp2键)的非晶碳膜,具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀,高硬度、高电阻率、高透光率等独特的物理化学特性。不同工艺条件制备的DLC薄膜其禁带宽度一般在1-4eV、折射率在1.54-2.05之间变化。因此,利用DLC薄膜作为太阳能光伏电池的减反射膜和保护层不仅能提高其光电转化效率,而且在紫外线、高能粒子辐射等极其恶劣的环境下也能保持其良好的化学稳定性,具有广阔的应用前景。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术具有沉积温度低,选材广泛,可大面积生长等优点。有希望实现大面积沉积表面形貌和光学特性均优良的DLC薄膜。 本文基于DLC薄膜的生长机理、通过研究优化制备工艺条件,用射频等离子增强化学气相沉积技术以CH4为碳源,用高纯Ar气为载气,在硅〈100〉和玻璃衬底上,在室温条件下成功地制备出DLC薄膜。通过样品的拉曼光谱分析观察到DLC薄膜在1200 cm~(-1)-1700 cm~(-1)间的典型特征峰。利用AFM对薄膜表面形貌分析发现所制备的薄膜表面均匀光滑致密,且随着溅射功率从100W提高到125W时,薄膜的晶粒直径由8.018 nm降到4.2 nm,同时薄膜表面粗糙度由2.2nm减为0.9nm,理论分析认为这与功率增大后等离子体轰击作用增强密切相关。薄膜表面厚度分析表明PECVD法制备DLC薄膜沉积速率较快,且随着功率的增加,等离子体密度增加,自偏压上升,薄膜沉积速率加快。Si衬底生长的DLC薄膜反射光谱分析发现DLC薄膜具有一定的减反射效果。玻璃衬底上制备的DLC薄膜透射光谱分析表明制备的DLC薄膜在可见光区具有一定的增透作用。理论分析认为DLC薄膜透光性能主要与薄膜的sp3键的百分含量有关,当sp3键含量高时,光学透过性好,当sp3键含量低时,光学透过性差。DLC薄膜在He-Cd脉冲光激发下PL谱分析发现DLC薄膜的发光峰为460nm,在该条件下制备的DLC薄膜光学带宽是2.7ev,理论研究认为DLC薄膜发光主要是通过sp2原子团簇中电子空穴对的辐射复合而完成,实验研究结果表明所制备的DLC薄膜的sp2键含量较少,这一结论与拉曼光谱分析结果一致。 采用PECVD技术可以在室温下在Si和玻璃上衬底上制备出具有一定减反射效果和透射作用的DLC薄膜,这对新型光电子器件特别是太阳能光伏器件的应用具有重要意义。


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