氮化铈薄膜的制备与性能研究

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在惯性约束聚变(ICF)实验中,因激光与等离子体的相互作用(LPI)而产生受激散射会导致激光能量的损失,因此靶腔材料的选择显得尤为重要。研究人员发现在高Z元素中掺入低Z元素作为靶腔材料可显著抑制受激布里渊散射,降低激光能量损失。本文以金属铈作为高Z元素,氮作为低Z元素,通过直流磁控溅射法制备氮化铈(CeN)薄膜。利用扫描电子显微镜、白光干涉仪、X射线衍射和俄歇电子能谱等分析方法研究并分析了制备工艺参数对CeN薄膜的沉积速率、表面形貌和内部的组分结构的影响。初步探索了CeN薄膜的氧化机理,并研究了Al防护层对CeN薄膜的防氧化性的影响。本文的主要内容如下:(1)通过制备工艺的调控,研究其对氮化铈薄膜的影响。1、研究发现,沉积功率对薄膜的沉积速率和质量起到重要的作用。控制氮氩比1:19和工作气压0.25Pa不变,当沉积功率为100W和150W时,氮化铈薄膜具有明显的(111)择优取向织构;当沉积功率升高到200W和250W时,(111)择优取向织构消失,此时样品为金属铈和氮化铈的混合物。2、在沉积功率为200W,工作气压为0.25Pa时,不同氮氩比对氮化铈薄膜的表面形貌及表面粗糙度的影响较小,但对薄膜的结构组成及沉积速率有较大影响。随着N2流量的增多,氮化铈薄膜在(111)面重新出现择优取向,并且沉积速率上升。3、工作气压影响着薄膜的沉积速率与沉积质量。控制沉积功率200W,氮氩比2:18,当工作气压为0.4Pa时,薄膜的沉积速率最高,为23.6nm/min,XRD半高宽最小,为0.196,说明此时样品结晶性较好。工作气压对样品的表面形貌和结构组成影响较小。我们利用磁控溅射在沉积功率200W,氮氩比2:18,工作气压0.4Pa时制备出了符合化学计量比的氮化铈薄膜。(2)研究了氮化铈薄膜的氧化机制。将CeN薄膜静置在空气中时,短时间内,薄膜会形成微小的破洞及裂缝;当薄膜暴露大气1天后,薄膜粉化,由黄铜色转变为黄色,并从基底脱落。XRD测试结果显示薄膜样品暴露大气过程中生成了氧化铈。利用俄歇电子能谱对暴露大气2小时的样品进行了详细分析发现氧化前的CeN薄膜具有较好的化学计量比,O原子仅出现在样品表面数个原子层内;随着暴露大气时间的增加,氧原子逐渐深入到样品内部,并取代Ce-N中的N原子形成Ce-N-O三元化合物。(3)氮化铈薄膜的防氧化研究。通过磁控溅射在样品表面沉积了数十纳米的金属铝(Al)防护层。AES结果显示O原子主要集中在样品表面,说明Al防护层能有效隔绝氧气进入到样品内部。XRD结果显示厚度约20nm的防护层在8小时内防护效果良好,但8小时后样品开始出现CeO2的峰。当Al层厚度增加到40nm时,样品防氧化效果超过8小时。本论文系统研究了制备工艺对CeN薄膜的影响,探索了直流磁控溅射制备单氮化物的规律以及CeN薄膜在空气中的氧化性能,不仅为靶腔材料的选择提供了参考,同时也为CeN薄膜的后续研究奠定了基础。
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