类金刚石薄膜的制备及其在太赫兹频段光学性质的研究

来源 :首都师范大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:xuanwuba
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碳是自然界分布非常普遍的元素,也是构成地球上一切生命体的重要元素。由于碳原子之间可以形成多种杂化类型,因此碳具有许多同素异形体,类金刚石(DLC)就是其中非晶结构的一种。DLC薄膜具有许多非常类似于金刚石的优异性质,并且各种性质可以通过sp3和sp2杂化碳原子比(sp3/sp2)值进行调节,而sp3/sp2值随制备方法和工艺参数的改变而变化。对DLC薄膜的各种性质的研究已经有许多文献报道,但是对其光学性质的研究主要集中在可见光和红外光频段,在其它频段的研究非常少,尤其是在太赫兹(THz)频段的研究。THz波在电磁波谱中的位置处于电子学向光子学的过渡区域的特殊位置,并且物质的THz光谱包含着丰富的物理和化学信息,因此对物质在THz频段的光学特性的研究意义重大。通过太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)测量的THz光谱同时包含THz辐射的振幅和相位信息,可以方便地从中提取出材料在THz频段的光学参数等信息。许多碳族材料在THz频段的光学特性已经得到了广泛的研究,但是DLC薄膜在THz频段的研究几乎是空白。本文首先通过拉曼光谱对离子束溅射制备的DLC薄膜进行表征。结果显示DLC薄膜的拉曼光谱中D峰与G峰的相对强度I(D)/I(G))随主源离子束能量和工作气压增加而减小;随辅源离子束能量的增加而增加;基本不随主源和辅源的离子束流而改变。这表明DLC薄膜的性质随离子能量和工作气压的改变而变化,而基本不随离子束流的改变而变化。进而对直流磁控溅射方法制备的DLC薄膜进行拉曼光谱研究。拉曼光谱显示随着工作气压的升高,DLC薄膜的I(D)/I(G)值减小,而电阻率增大;溅射功率对DLC薄膜的影响显著依赖于气压的状态,在低气压(0.3Pa)下制备的DLC薄膜的I(D)/I(G)值较大、电阻率较小,并且I(D)/I(G)值随着功率的增加先减小后增大,电阻率则先减小后增大;而在高气压(3Pa)下制备的DLC薄膜I(D)/I(G)值较小、电阻率较大,且随功率的增加变化很小。I(D)/I(G)值和电阻率均随DLC薄膜厚度的增加先迅速减小,而薄膜厚度超过一定值(>500nmm)时随着厚度的增加略有增加。在拉曼光谱研究的基础上,首次对DLC薄膜在THz频段的透射谱进行了测量,并对DLC薄膜在THz频段的透射特性进行研究,获得了DLC薄膜在THz频段的光学参数。结果表明在功率为300W下制备的DLC薄膜的介电常数虚部、折射率和消光系数均随着频率的增加而减小,且气压在0.3Pa下制备的DLC薄膜的太赫兹光学参数值比1Pa下制备的DLC薄膜的相应值大;功率为100W时,气压在0.3Pa下制备的DLC薄膜的性质与300W下制备的DLC薄膜有类似的结果,然而气压在1Pa下制备的DLC薄膜的介电常数虚部、折射率和消光系数值均基本不随频率改变,并且各光学参数值相比于低气压(0.3Pa)下制备的DLC薄膜的相应值小。在各种条件下制备的DLC薄膜的介电常数实部均随频率的增加而增大,并在低气压(0.3Pa)下制备的DLC薄膜的介电常数实部比高气压(1Pa)下制备的DLC薄膜相应值大。气压保持在0.3Pa下制备的DLC薄膜的THz光学参数随着功率的增加先增加而后减小。另外,DLC薄膜的THz光学参数随着薄膜厚度的增加呈减小的趋势。通过拉曼光谱对在不同工艺参数下制备的DLC薄膜的微结构进行研究,并首次采用THz-TDS系统对DLC薄膜在THz频段的透射特性进行了研究,获得了不同工艺参数下制备的DLC薄膜在THz频段的光学参数及其随工艺参数的变化情况。这对DLC薄膜在THz光学器件等方面的应用提供一定的实验基础。
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