氮氧化鉿薄膜力學(xué)與光學(xué)特性分析

氮氧化鉿薄膜力學(xué)與光學(xué)特性分析氮氧化鉿薄膜透射率高，帶隙寬，機(jī)械性能好，是一種較好的窗口保護(hù)薄膜。采用離子束輔助反應(yīng)蒸發(fā)的方法沉積具有高透射率的多光譜氮氧化鉿薄膜，通過(guò)控制沉積速率改變膜層中N、O化學(xué)計(jì)量比，研究氮氧化鉿中N、O化學(xué)計(jì)量比不同對(duì)薄膜力學(xué)和光學(xué)性能的影響規(guī)律。隨著沉積速率從0.8減小到0.05nm/s，氮含量增高，薄膜的硬度從7.29增大到10.67GPa，氮氧化鉿薄膜的折射率從1.95降低到1.80，而消光系數(shù)從1×10-3增大到8×10-3，禁帶寬度從5.62減小到5.5eV。

紅外窗口材料除了必須具有高的紅外透過(guò)率、低吸收系數(shù)等優(yōu)良特性外，還必須具有高的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨損、抗風(fēng)沙雨蝕、抗化學(xué)腐蝕等性能，且在高溫、低溫及輻射作用等各種苛刻條件下，其光學(xué)和物理化學(xué)性能穩(wěn)定性良好。

目前使用的ZnS紅外光學(xué)材料，不能同時(shí)具有所需的光學(xué)、熱學(xué)性能和機(jī)械性能。氧化鉿密度9.68g/cm3，熔點(diǎn)2758℃，作為金屬氧化物，其原子結(jié)合以離子鍵為主，原子間有較強(qiáng)的結(jié)合力。此外，氧化鉿有較大的能帶帶隙(5.68eV)，故而薄膜從可見(jiàn)光到紅外光波段(0.2～12μm)都有較高的透過(guò)率，而鉿的氮氧化物具有更高的硬度，同時(shí)在中波紅外和長(zhǎng)波紅外具有較高的透射率。在ZnS基片上鍍制氮氧化鉿薄膜是解決紅外光學(xué)系統(tǒng)窗口材料問(wèn)題的可行方法，這種膜層除具有紅外透明、吸收系數(shù)小等優(yōu)良的光學(xué)性能外，還應(yīng)能抗熱沖擊、耐高溫，與襯底附著良好。氮氧化鉿薄膜作為多元化合物，討論N、O不同化學(xué)計(jì)量比對(duì)其力學(xué)和光學(xué)性能影響就具有重要意義。1、實(shí)驗(yàn)

離子束輔助反應(yīng)技術(shù)是在氣相沉積鍍膜的同時(shí)，利用載能離子轟擊薄膜表面，將其攜帶的能量通過(guò)轟擊過(guò)程轉(zhuǎn)移給薄膜原子，同時(shí)離子與氣相沉積的原子、離子發(fā)生反應(yīng)，生成薄膜。

在美國(guó)DENTON公司引進(jìn)的全自動(dòng)離子輔助光學(xué)鍍膜機(jī)上開展氮氧化鉿薄膜的鍍制工作。采用電子槍蒸發(fā)、離子束輔助反應(yīng)的方法鍍制，基底用的是化學(xué)氣相沉積(CVD)ZnS基片，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)步驟為：首先清洗基底，先后用純度為99.9%的丙酮和無(wú)水乙醇超聲波各清洗15min，用專用清潔紙擦干后裝入真空室；用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵將真空度抽至2×10-2Pa后，將真空室加熱到150℃，保持30min，使真空室內(nèi)壁上的氣體盡量放出來(lái)，以提高沉積時(shí)的真空度。待本底真空度到達(dá)3×10-3Pa，開始離子源清洗。用離子源轟擊基底10min，其中在轟擊時(shí)離子源的能量控制在60～90eV。

圖1離子束輔助反應(yīng)鍍膜系統(tǒng)示意圖

采用純度99.99%的氧化鉿膜料，通過(guò)調(diào)整電子槍的束流密度來(lái)調(diào)整蒸發(fā)速率，改變了HfOxNy中x、y的值，得到不同化學(xué)計(jì)量比的氮氧化鉿薄膜。Hf、N之間成鍵結(jié)合困難，只要有O存在，Hf總是容易與O結(jié)合，這使我們?cè)谠噲D制備氮氧化鉿薄膜時(shí)，要盡可能得制定、使用一些有利于鉿氮結(jié)合的條件。

選取不同沉積速率下的樣品開展氮氧化鉿薄膜鍍制實(shí)驗(yàn)，沉積時(shí)離子源通氮?dú)?，通氣?0mL/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，沉積時(shí)基片溫度為150℃。其中1號(hào)-5號(hào)分別表示沉積速率為0.05，0.10，0.20，0.40，0.80nm/s的樣品，膜層厚度均為1500nm。3、結(jié)論

采用離子束輔助反應(yīng)沉積的方法，通過(guò)控制氧化鉿的沉積速率調(diào)整氮氧化鉿薄膜中N、O比例，得到不同N、O化學(xué)計(jì)量比的氮氧化鉿薄膜，并討論其力學(xué)和光學(xué)特性。隨著沉積速率從0.8減小到0.05nm/s，氮含量增高，薄膜的硬度增大，從7.29增大到10.63GPa。隨著沉積速率越小，薄膜中的氮含量越高，氮氧化鉿薄膜的折射率越小，消光系數(shù)越大，沉積速率從