实验条件对a-CNx：H薄膜光学性质影响的研究进展

马婷婷1吴卫东1，2

（1.西南科技大学理学院，四川绵阳621010；2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900）

摘要：非晶碳氢薄膜a?CNx∶H是一类具有亚稳态非晶结构的薄膜材料，具有很多类似金刚石的优异特性，现基于a?CNx∶H薄膜优异的光学性质，研究射频功率、基片、刻蚀、退火等不同实验条件下制备的a?CNx∶H薄膜，采用综合对比分析法，得出实验条件对其光学性质的影响。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：射频功率；基片；刻蚀；退火；实验条件；a?CNx∶H薄膜；光学性质

0引言

非晶碳氢薄膜a?CNx∶H具有优异的光学性质，透过率高达98%，可以用作各种窗口材料，如激光窗口、导弹透镜、航天器窗口、卫星遥感器窗口等，还可作为光学器件的保护膜、增透膜。碳氮薄膜作为一种耐磨涂层、光学保护涂层及新型半导体材料，目前，无定形碳氮薄膜已被用作磁性驱动器的保护涂层［1?2］，其应用具有非常诱人的前景，因此对其性质进行研究十分有必要。

本文总结了在不同的射频功率、基片、刻蚀、退火等实验条件下制备的薄膜光学性质的差异性。

1射频功率对薄膜光学性质的影响

HaruhisaKinoshita等人固定电极的射频功率为10W，然后改变上电极的射频功率，从0～800W，对射频功率0～20W、25～100W和100～800W情况下薄膜的光学性质分别进行了研究。

射频功率在0～20W时，薄膜的光学带隙很大（约为2eV），几乎是个常数，而且膜是透明的。他们认为宽光学带隙可能是由于小尺寸的CC团簇与大量的NH、CH等键的形成引起的，这样的膜是高分子膜。

射频功率在25～100W时，膜的光学带隙从0.8eV减小到0.5eV，而且膜是不透明的。他们认为光学带隙的减少可能是CC双键的形成、薄膜的石墨化等导致的［3］，在文献［4］中提到，氮作为sp2杂化CC团簇的桥梁原子，其结合了N的团簇的光学带隙的减小可能与sp2杂化CC团簇的尺寸增大有关。

射频功率在100～800W范围内时，a?CNx∶H薄膜的折射率接近常数，为2.05±0.06。薄膜的折射率随UPRF变化很小，几乎不依赖UPRF变化。这个值与硬类金刚石碳薄膜的折射率2.0～2.1很接近。硬类金刚石碳薄膜是由大量的sp2团簇与sp3杂化的C原子及少量的H原子组成。文献［5］认为硬碳薄膜中的电子构成漂移电导，而它们对可见光的反应是很弱的。因此，尽管电阻改变很大，而折射率却改变很小。

射频功率从100W降到5W时，薄膜的光学带隙由2.09eV降到1.54eV。

2基片对薄膜光学性质的影响

2.1不同基片对薄膜光学性质的影响

由于Si片的热效应比SiO2（玻璃）片的热效应高，所以在制备a?CNx∶H薄膜时，真空室的高密度等离子体中可见紫外光线热辐射引起的热效应，Si片的温度高于SiO2片的温度。因此，Si片上沉积的薄膜sp2相较多，而sp2石墨相透光性比较差，sp3金刚石相透光性比较好。可见，相同实验条件下，Si片沉积的薄膜透光性要优于SiO2片沉积的薄膜。

因为Si的光学带隙是1.1eV，而SiO2的光学带隙约为4eV，Si与SiO2的热质量相同，因此，（由光与振动引起的）热能将在Si衬底上聚集，并很快产生比在玻璃衬底上高的温度。文献［6］中提到，随着衬底温度的升高，膜的沉积速率增加。

2.2基片温度的影响

增加基片温度可以加速表面原子的扩散，有利于将吸附在基片表面的吸附气体排除，增加沉积薄膜与基片之间的结合力，同时还可以减少膜层的内应力［7］，使得薄膜生长致密，表面平滑均匀。随着基片温度的升高与离子轰击能量的增加，沉积速率也在提高，使得薄膜中sp2团簇杂化的尺度增多或密度增加，将引起薄膜的光学带隙降低［8］。

3退火

退火也是一种对薄膜成品的处理方式，刘益春等人对a?CNx∶H薄膜进行了退火处理，发现其光学带隙随着退火温度的升高而下降，并使得sp3区的势垒限制作用变弱，光致发光强度下降。这是因为sp3相碳是不稳定的，热退火使得部分sp3相向sp2相转变，引起了sp2区域尺寸增大。随着退火温度的升高，弱化的CH键断裂，并有氢气从样品中释放出来，造成新的缺陷，这些缺陷可以引起发光的猝灭，即降低了材料发光的热稳定性。

4刻蚀

光学带隙不受刻蚀的影响，刻蚀前后光学带隙没有发生变化，刻蚀后膜中N原子浓度不变。

5结语

由于不同研究小组采用的实验条件不尽相同，而a?CNx∶H薄膜的光学性能与其实验条件密切相关，于是对光学性能的评价以及相关机理的分析也存在一定差异，至今未形成统一的认识。

因此，本文系统性地总结了射频功率、基片、刻蚀、退火等不同实验条件对a?CNx∶H薄膜光学性质的影响。

［教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献］

［1］LommelB，HartmannW，KindlerB，etal.PreparationofSelf?supportingCarbonThinFilms［J］.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA，2002，480（1）：199?203.

［2］RobertsonJ.Diamond?likeAmorphousCarbon［J］.MaterialsscienceandEngineeringR，2002，37（4）：129?281.

［3］BeemanD，SilvermanJ，LyndsR，etal.ModelingStudiesofAmorphousCarbon［J］.PhysicalReviewsB，1984，30（2）：870?875.

［4］FerrariC，RobertsonJ.InterpretationofRamanSpectraofDisorderedandAmorphousCarbon［J］.PhysicalReviewB，2000，61（20）：14095?14107.

［5］Maier?KomorP，DollingerG，FreyCM，etal.CompletionofthePlantforLaserPlasmaAblation?depositionofCarbon［J］.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA，1995，362（1）：208?212.

［6］FolgerH，HartmannW，HeβbergerFP，etal.Developmentof207Pb，208Pband209BiTargetWheelsintheSynthesisof107Ns，

108Hsand109Mt［J］.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA，1993，334（1）：69?79.

［7］GrimsditchMH，AnastassakisE，CardonaM.EffectofUniaxialStressontheZone?centerOpticalPhononofDiamond［J］.Phys.Rev.B，1978，18（2）：901?904.

［8］SurianiAB，RosazleyR，SakraniS，etal.RamanandUV?VisibleSpectrophotometerStudiesofHydrogenatedAmorphousCarbonThinFilms［J］.NanoscienceandNanotechnology，2009，1136（1）：443?448.

收稿日期：2015?07?21

作者简介：马婷婷（1982—），女，山西大同人，助教，从事薄膜研究工作。