金刚石上不同晶体结构Y2O3膜性质与增透性能研究

目的研究不同晶体结构Y_2O_3薄膜的性质及其对金刚石增透性能的影响规律。方法采用反应磁控溅射的方法,通过控制氧氩比,在金刚石膜上制备立方与单斜两种不同晶体结构的Y_2O_3薄膜,随后系统研究两种Y_2O_3薄膜的性质与增透性能。结果在低氧氩比下获得了立方结构Y_2O_3薄膜,在高氧氩比下获得了单斜结构Y_2O_3薄膜,二者表面粗糙度分别为2.57、1.07nm。两种晶体结构均呈现出符合Y_2O_3原子配比的价态。立方和单斜结构的Y_2O_3薄膜硬度分别为17.4、12.6 GPa;弹性模量分别为248.1、214.6 GPa。双面镀制立方结构Y_2O_3薄膜后,金刚石膜在10.0μm透过率最大,达89.1%,增透24.5%;单斜结构Y_2O_3薄膜在7.4μm透过率最大,达90.4%,增透25.4%。结论通过控制氧氩比可以获得热力学稳定的立方Y_2O_3薄膜和亚稳态的单斜Y_2O_3薄膜。立方和单斜结构的Y_2O_3薄膜中O与Y原子价态均符合其化学计量比。立方结构Y_2O_3薄膜呈现出更高的硬度与弹性模量。两种结构对金刚石窗口均呈现出良好的增透效果。单斜结构Y_2O_3薄膜增透效果更佳与其较低的折射率有关,且相比于立方结构Y_2O_3薄膜,增透最佳值向低波长方向移动。     

金刚石自支撑膜的高温红外透过性能

由于金刚石具有低吸收和优异的力学与导热性能使其成为长波(8~12μm)红外光学窗口材料的重要选择。对于许多极端条件的应用,化学气相沉积(CVD)金刚石自支撑膜的高温光学性质至关重要。应用直流电弧等离子喷射法制备光学级金刚石自支撑膜进行变化温度的红外光学透过性能研究,采用光学显微镜、X射线衍射、激光拉曼和傅里叶变换红外-拉曼光谱仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、结构特征和红外光学性能。结果表明:在27℃时金刚石膜长波红外8~12μm之间的平均透过率达到65.95%,在500℃时8~12μm处的平均透过率为52.5%。透过率下降可分为3个阶段。对应于透过率随温度的下降,金刚石膜的吸收系数随温度的升高而增加。金刚石自支撑膜表面状态的变化,对金刚石膜光学性能的影响显著大于内部结构的影响。     

自支撑CVD金刚石膜光学性能与热学性能相关性研究

目的通过等离子体喷射制备不同质量CVD金刚石膜并研究其光学及热学性能,试图建立起两种性能的相互关联性。方法采用光学显微镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和NETZSCH LFA467导热仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、晶粒尺寸、结构特征和红外光学性能、热学性能。结果金刚石自支撑膜的光学性能及热学性能密切相关,本质上取决于氮和非金刚石相的含量。当金刚石膜内氮质量分数大于0.009%时,氮含量是决定光学性能及热学性能的关键因素,且两者随着氮含量的增加呈线性衰减趋势;当氮质量分数小于0.009%时,氮的影响相对较小,晶粒尺寸成为影响金刚石膜热导率的主要因素,此时晶粒尺寸对金刚石膜红外透过率影响较小。此外,金刚石中C—H吸收与非金刚石相含量正相关,其对金刚石光学及热学性能影响规律与N杂质基本一致。结论 CVD金刚石膜的热导率和红外透过率随着金刚石膜的氮杂质含量和C—H吸收系数的降低而逐渐提高,当达到一定程度,红外透过率相对热导率的增加表现出滞后性。     

声表面波器件用SiO2/ZnO/金刚石/Si多层结构制备

为获得高频、高性能金刚石声表面波器件的多层结构,在金刚石/Si衬底使用磁控溅射方法优化ZnO与SiO₂薄膜沉积工艺参数,制备了具有正负温度系数组合的SiO₂/ZnO/金刚石/Si多层结构,并对多层结构进行表征。结果表明:随着氩氧比增加,ZnO薄膜的沉积速率不断加快,薄膜的表面粗糙度不断增大;ZnO薄膜中的原子摩尔分数比随O₂输入量的减少而逐渐接近理想的1∶1。不同氩氧比下制备的ZnO薄膜均呈(002) 面择优取向生长,其中在氩氧比7∶1时,获得了具有细小柱状晶特征、C轴择优取向程度较高的ZnO薄膜。采用最优的ZnO和SiO₂薄膜沉积工艺,在金刚石/Si衬底获得了具有清晰界面的SiO₂/ZnO/金刚石/Si多层结构。      

氩气流量对等离子体喷射法制备的金刚石膜形核的影响

采用100kW级直流电弧等离子喷射法进行金刚石膜沉积,阐述了氩气对维持电弧稳定的重要作用,讨论了氩气流量对衬底表面轰击的影响,氩气流量和不同电弧分区对形核期金刚石表面形貌和晶粒尺寸的影响,以及时间和不同预处理方式对金刚石形核密度的影响。结果表明:随着氩气流量的增加,氩气对衬底表面的轰击作用增强,金刚石膜表面形貌呈现从(111)到(100)的变化规律,金刚石晶粒尺寸减小,晶形变得不完整;弧边位置(100)取向更明显;使用金刚石微粒对衬底进行研磨预处理能显著提高金刚石的形核密度。     

基于X射线光电子能谱定量分析金刚石自支撑膜高温石墨化

目的针对金刚石红外窗口在高温环境下的石墨化失效问题进行研究。方法使用等离子体电弧发生器对CVD金刚石自支撑膜进行1500～1800℃热冲击实验,双面抛光后,采用光学显微镜、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对热冲击后的金刚石膜进行表征,着重通过X射线光电子能谱仪(XPS)对键合特征的演变与热冲击温度之间的关系进行分析。结果热冲击后金刚石膜中的石墨主要存在于晶界处,晶界石墨化过程随温度升高而加快,并致使红外透过率损失。在C1s结合能谱峰解析中,对比了一般的双峰拟合与改进的三峰拟合两种方法,通过引入AC成分,解决了双峰拟合中sp~3与sp~2两峰位的结合能差ΔEB不固定的问题。AC成分的出现是由于碳原子没有形成完美的等性sp~3电子轨道杂化方式引起的,主要存在于金刚石膜重构表面以及原子排列紊乱的晶界处,通过对比AC成分与sp~3成分含量之间的固定关系,论证三峰拟合的合理性。根据键合特征演变与红外吸收变化获得的金刚石膜石墨化活化能分别为227 kJ/mol和250 kJ/mol,结果一致性较好。结论晶界石墨化是导致热冲击后金刚石膜红外透过性能损失的主要原因,建立了热冲击温度与红外透过率及sp~2碳含量之间的关系。