硅/锗掺杂类金刚石薄膜特性研究

摘要

类金刚石(diamond-like carbon，DLC)薄膜是一种亚稳态的非晶碳膜，它具有诸多类似于金刚石薄膜的优异性能。在光学方面，由于DLC薄膜在红外区透明，且具备高硬度、耐磨损等性能，因此常用作红外窗口的增透膜和保护膜。在工程应用中，DLC薄膜存在内应力大和附着力较差的问题。为了改善DLC薄膜的上述特性，本文采用元素掺杂的方法来降低DLC薄膜的内应力、提高膜基附着力，从而改善DLC薄膜的综合性能。
　　 利用脉冲电弧离子镀和电子束热蒸发相结合的复合沉积技术，在硅基底上制备了一系列不同硅或锗含量(原子百分比at.％)的Si-DLC薄膜和Ge-DLC薄膜，系统研究了硅(锗)含量对DLC薄膜光学特性和力学特性的影响规律。研究结果表明：
　　 1)在红外波段1～5μm之间，掺杂少量的Si或Ge(小于25at.％)对DLC薄膜光学常数的影响不大；随着Si或Ge含量的增加，DLC薄膜的折射率和消光系数都略微增大。
　　 2)随着DLC薄膜中Si(Ge)含量的增加，薄膜的内应力和硬度均逐渐减小。当Si(Ge)含量小于8at.％时，DLC薄膜硬度的减小比例小于内应力的减小比例；当Si(Ge)含量大于8at.％时，DLC薄膜硬度的减小比例大于内应力的减小比例。
　　 3)DLC薄膜中Si(Ge)的最佳含量约为8at.％，此时DLC薄膜内应力大幅度的减小，但仍保持有较高的硬度。与纯DLC薄膜相比，Si-DLC薄膜的内应力从6.3GPa降至3.4GPa，而硬度仅从3875kgf/mm2减小为3652kgf/mm2；Ge-DLC薄膜的内应力从6.3GPa降至3.0Gpa，而硬度仅从3875kgf/mm2减小为3640kgf/mm2。
　　 4)当DLC薄膜中Si或Ge的含量都为8at.％时，在红外波段3～5μm之间，硅基底上单面制备Si-DLC薄膜的透射率峰值(63.71％)略高于Ge-DLC薄膜的透射率峰值(63.15％)。
　　 5)当DLC薄膜中Si或Ge的含量相同时，Ge-DLC薄膜的内应力和硬度小于Si-DLC薄膜的内应力和硬度。而当DLC薄膜中Si或Ge的含量都为8at.％时，Si-DLC薄膜与Ge-DLC薄膜的内应力大和硬度高差值很小。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 类金刚石薄膜概述

1.3.1 类金刚石薄膜简介

1.3.2 类金刚石薄膜的制备技术

1.3.3 类金刚石薄膜的性质、应用及其存在的主要问题

1.4 元素掺杂类金刚石薄膜的研究进展

1.4.1 金属掺杂类金刚石薄膜的研究现状

1.4.2 非金属掺杂类金刚石薄膜的研究现状

1.4.3 硅、锗掺杂类金刚石薄膜的研究现状

1.5 本文的研究内容及技术路线

1.6 本文内容安排

1.7 本章小结

2 试验设备及薄膜的测试分析方法

2.1 试验设备

2.1.1 电子束热蒸发设备及原理

2.1.2 脉冲真空电弧离子源

2.1.3 离子源设备及原理

2.2 薄膜检测设备

2.2.1 椭圆偏振仪

2.2.2 分光光度计

2.2.3 傅里叶变换红外光谱仪

2.2.4 Taly Surf CCI非接触式干涉仪

2.3 薄膜红外光学特性分析方法

2.3.1 Si薄膜、Ge薄膜的红外光学常数测量

2.3.2 DLC薄膜的红外光学常数测量

2.4 本章小结

3 硅、锗和DLC薄膜的制备及性能分析

3.1 Si薄膜的制备及其红外光学特性分析

3.1.1 Si薄膜的制备工艺

3.1.2 试验结果与讨论

3.2 Ge薄膜的制备及其红外光学特性分析

3.2.1 Ge薄膜的制备工艺

3.2.2 试验结果与讨论

3.3 DLC薄膜的制备及其红外光学特性分析

3.3.1 DLC薄膜的制备工艺

3.3.2 试验结果与讨论

3.4 本章小结

4 Si-DLC和Ge-DLC薄膜的制备及性能分析

4.1 试验设备简介

4.1.1 应力测试仪

4.1.2 硬度测试仪

4.2 硅掺杂类金刚石(Si-DLC)薄膜的制备及其特性分析

4.2.1 不同硅含量Si-DLC薄膜的制备

4.2.2 Si-DLC薄膜的红外光学特性分析

4.2.3 Si-DLC薄膜的力学特性分析

4.3 锗掺杂类金刚石(Ge-DLC)薄膜的制备及其特性分析

4.3.1 不同锗含量Ge-DLC薄膜的制备

4.3.2 Ge-DLC薄膜的红外光学特性分析

4.3.3 Ge-DLC薄膜的力学特性分析

4.4 本章小结

5 Si-DLC与Ge-DLC薄膜性能的比较

5.1 Si-DLC薄膜与Ge-DLC薄膜光学特性的比较

5.2 Si-DLC薄膜与Ge-DLC薄膜力学特性的比较

5.3 本章小结

6 结论

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢