非晶态碳膜和碳氮薄膜的结构与性质

摘要

非晶态碳薄膜和碳氮薄膜因其各种优良性质，如高硬度、耐磨损、可调光学带隙、大范围变化的导电能力等引起了人们的研究兴趣。但是目前有关碳的各种杂化态、碳薄膜中的无序化程度以及N掺杂对碳薄膜的光学和电学性质的影响的研究报道结论不尽相同，尚需要进行深入的研究。 本论文采用双对向靶直流磁控溅射系统制备了两个系列样品，即不同溅射功率下的碳薄膜和不同氮气分压下的碳氮薄膜，并对样品的微观结构、光学、电学和缺陷态等性质进行了系统研究。 不同溅射功率下制备的非晶态碳薄膜（a-C）均富含sp2C，sp2C聚集起来形成团簇的尺寸都非常小，薄膜中的无序化程度很高。因此，整体上看，薄膜的光学带隙都比较窄，室温电导率比较高，这不同于宽带隙的四面体碳（ta-C）和类金刚石碳（DLC）等类绝缘体材料。提高溅射功率可导致a-C薄膜内层中一些先前形成的Sp3键向sp2键转变，薄膜中sp2C含量以及sp2C团簇的数目或尺寸相对有所增加；薄膜的光学带隙值从0.11 eV增加到0.70 eV，室温电导率减小两个数量级，从电子顺磁共振谱（EPR）获得的顺磁缺陷密度N5总体上增加了。低溅射功率下，与键角畸变有关的结构无序是导致光学带隙变窄的主要因素。提高溅射功率，薄膜的局域化参数N（EF）·γ-3一直减小，说明低温下薄膜中电子跳跃导电能力减弱。 随着氮气分压的增加，一部分C与N结合导致薄膜中的N含量先增加而后趋于饱和。掺入的N更倾向于与C形成各种非芳香环状结构的CN相，如N-sp3C、C≡N和N-sp2C等链状和闭合环状结构。薄膜的光学带隙、光学常数（n，k）以及导电能力的变化与大范围形成的非芳香环状结构CN相有关。lnσ～T-1/4关系曲线的前导因子σ00和斜率T01/4几乎呈线性增加变化，说明CN薄膜中发生的跳跃传导是带尾局域态内电子的跳跃导电。随着氮气分压增加，EPR一阶微分谱线中高斯分量所占比例增加，自旋与自旋之间的交换作用导致谱线的峰-峰宽度减小，Ns总体上有所增加。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1非晶态碳膜(a-C)的研究现状

1.1.1 a-C薄膜的化学键结构

1.1.2 a-C薄膜的电子性质

1.1.3 a-C薄膜的光学性质

1.1.4 a-C薄膜的电学性质

1.1.5 a-C薄膜研究中存在的问题

1.2掺杂a-C薄膜

1.2.1掺杂对a-C薄膜力学性质的影响

1.2.2掺杂对a-C薄膜磁学性质的影响

1.2.3掺杂对a-C薄膜光学性质的影响

1.2.4掺杂对a-C薄膜电学性质的影响

1.2.5掺杂a-C薄膜研究中存在的问题

1.3本论文的主要工作

第二章样品的制备、结构表征和物性测量

2.1非晶态碳膜和碳氮薄膜的制备

2.2厚度测量

2.3微观结构表征

2.4光学性质测量

2.5低温技术和电输运特性测量

2.6缺陷态测量

第三章非晶碳薄膜的结构和性质

3.1 a-C薄膜的结构

3.2 a-C薄膜的光学性质

3.3 a-C薄膜的电学性质

3.4 a-C薄膜中的缺陷态

3.5本章小结

第四章非晶态碳氮薄膜的结构和性质

4.1 a-CN薄膜的结构

4.2 a-CN薄膜的光学性质

4.3 a-CN薄膜的电学性质

4.4 a-CN薄膜中的缺陷态

4.5本章小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢