反应溅射法生长YO_xN_y薄膜的性能及红外光学应用研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wenjuanliu_b06213
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多光谱硫化锌能够实现近红外至长红外的光学透过,是飞行器红外窗口基底的首选材料。但是硫化锌质地较软,脆性大,当飞行器高速飞行时,在使役环境大气中,红外窗口会受到来自砂石、雨滴等的冲击损伤,故必须涂覆增透保护膜。并且,传统薄膜材料的硬度已无法满足要求,故必须研制超硬增透保护薄膜材料。过渡族金属氮化物(T(transition)M(metal)N(nitrides)x)薄膜由于具有类似的高硬度、良好的热稳定性、良好的扩散阻挡性、抗氧化性、耐磨损和耐腐蚀等优异的光学和力学性质而受到了广泛的关注。但由于金属元素与氮元素较强的结合力,使薄膜在硬度提高的同时损失了红外透过性能。考虑到金属氧化物在红外增透方面良好的性能,故在氮化物薄膜中加入氧元素。本文采用射频反应磁控溅射方法,分别以石英片和硅片为衬底,研究制备参数中温度对氮化钇薄膜性能的影响,氧气流量对氮氧化钇薄膜性能的影响。并采用探针式轮廓仪、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、椭偏仪(SE)、紫外可见光分光光度计、纳米压痕等测试手段对薄膜的结构、光学特征、力学特征等进行了测试分析。根据测试结果,选择合适的温度和氧气流量分别在ZnS基底上镀制氮化钇和氮氧化钇薄膜,并用傅里叶红外光谱仪(FTIR)测试薄膜在红外范围的透过率。研究结果表明,衬底温度对氮化钇薄膜性能具有较大的影响。衬底温度对于薄膜的沉积速率没有太大影响;温度升高,薄膜的表面粗糙度降低;XRD结果表明,在室温至500℃范围内结晶相为氮化钇,并随温度升高,结晶度先下降后增加,在600℃时,薄膜中的结晶相变为氧化钇;XPS结果显示,衬底温度的升高使薄膜中成键氧含量增加,使得温度较高时薄膜中结晶相变为氧化钇;椭偏结果表明氮化钇为反常色散材料,消光系数一直维持在较小值;温度升高,氮化钇薄膜的光学带隙增加,但变化不明显,光学带隙值均为2.2eV左右;薄膜的硬度发生了较大的改变,衬底温度升高使薄膜硬度值有了显著的增加。氧气流量对于氮氧化钇薄膜的性能影响不大。随着氧气流量的增加,沉积速率逐渐下降;表面粗糙度下降;XRD结果显示,薄膜为立方氧化钇结构,氮元素以间隙原子形式存在,并且随氧气流量增加,结晶度逐渐下降;XPS结果显示,随氧气流量增加,薄膜中O元素的含量显著增加;椭偏结果证明氮氧化钇薄膜为正常色散材料;氧气流量增大时,薄膜光学带隙值增加,并且都大于YN的光学带隙值,小于Y2O3的光学带隙值,说明通入氧气后,薄膜的光学性能有所提高;薄膜的硬度变化不明显。在ZnS衬底上分别镀制了氮化钇及氮氧化钇薄膜。氮化钇薄膜透过率最大为75%,在近红外及中红外波段范围内,透过率有所提高;氮氧化钇薄膜透过率最大为88%,在近红外、中红外及远红外波段范围内均有较大的提高。镀制氮化钇及氮氧化钇薄膜后的透过率均大于ZnS衬底70%的数值。并且氮化钇薄膜最大的硬度值为8.5 GPa,可以综合利用氮化钇薄膜的高硬度及氮氧化钇薄膜的高透过率,根据膜系设计理论,制备复合薄膜,达到红外增透保护的效果。
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