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ECR等离子体辅助脉冲激光沉积薄膜的若干应用

作 者: 董占斌
导 师: 吴嘉达
学 校: 复旦大学
专 业: 光学
关键词: 脉冲激光烧蚀 脉冲激光沉积 ECR等离子体 等离子体辅助脉冲激光沉积 类金刚石薄膜 氮化碳薄膜 氧化锌薄膜 氧化硅薄膜
分类号: O484
类 型: 硕士论文
年 份: 2006年
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内容摘要


本论文的主要内容是把在脉冲激光烧蚀(pulsed laser ablation,PLA)和微波放电(microwave discharge,MD)技术基础上摸索的ECR等离子体辅助脉冲激光沉积(electron cyclotron resonance plasma assisted pulsed laser deposition,ECR-PLD)方法用于若干薄膜材料的制备,以演示和发展这一基于ECR-PLA等离子体的薄膜制备新方法。选择了类金刚石碳(diamond like carbon,DLC)薄膜、氮化碳(CNx)薄膜、氧化锌(ZnO)薄膜和氧化硅(SiOx)薄膜等几种材料,并结合样品的分析表征,说明薄膜制备方法的特点和制备条件的影响。通过对氩气的ECR微波放电形成ECR氩等离子体,在ECR氩等离子体中用脉冲激光束烧蚀石墨靶,以ECR氩等离子体辅助PLD方法沉积制备了DLC薄膜。样品的表征分析和与无氩等离子体辅助条件下制备的样品的比较显示,ECR氩等离子体的辅助在一定程度上改变了薄膜的结构,并观察到衬底偏压对膜层结构的影响。在以高纯氮气为工作气体、用ECR微波放电产生的ECR氮等离子体中,用脉冲激光束烧蚀石墨靶,以ECR氮等离子体辅助PLD方法则合成制备了CNx薄膜,还在衬底上先沉积一层NiCo作为催化层。结果表明,ECR微波放电极大地激活了氮气,ECR氮等离子体的辅助使得活性氮有效地进入膜层成为膜层的一种组分,NiCo催化层对膜层的结构也有一定的影响。在低气压纯氧气氛中用脉冲激光束烧蚀ZnO靶、以PLD方法进行了ZnO薄膜的沉积制备,在Al2O3衬底上得到了可见波段具有良好透光性的ZnO薄膜。实验发现,在薄膜沉积之前先对衬底用ECR氮等离子体轰击预处理还能提高薄膜的透射率。对沉积制备的ZnO薄膜进行的热退火处理还表明,退火处理能减小膜层的表面起伏。在ECR氧等离子体中用脉冲激光束烧蚀硅靶、以ECR氧等离子体辅助PLD方法合成制备了SiOx薄膜。这部分的工作原意是在合成制备SiOx薄膜的基础上尝试纳米硅镶嵌氧化硅薄膜的制备,把制备得到的SiOx薄膜实施高温退火析出纳米硅镶嵌于氧化硅基质中,形成镶嵌有纳米硅的氧化硅薄膜。尽管目前还不能确认纳米硅的形成,但对SiOx薄膜进行了多种温度退火,对样品的光致荧光(PL)进行了实验观察,并讨论了PL的产生和变化情况,也可以为以后本工作的进一步开展提供参考。ECR-PLD方法结合了ECR微波放电和脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,PLD)的特点:ECR微波放电作为目前最有效的低气压气体放电技术,可以产生荷电载能气氛环境;对非惰性气体的ECR微波放电能有效激活气体,提供大量高化学活性的气相成分,它们易于与激光烧蚀产物反应,形成化合物薄膜的先驱物;几乎任何种类的固态和液态材料都可以被激光所烧蚀,靶材料选择不受限制;烧蚀产物具有较高的内能和动能,它们以超声速输运至衬底后仍具有较大的表面迁移率,可以在较低温度下成核;低能等离子体束流对衬底和膜层的轰击有利于气相先驱物的凝聚成核,促进膜层的生长;ECR-PLD包含强烈的非平衡过程,可以突破平衡热力学的某些限制,制备用常规方法难以得到的物相。希望本论文有助于ECR-PLD方法的发展和成熟,有助于相关过程和机理研究的深入。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
第一章 引言  9-16
  1.1 脉冲激光烧蚀脉冲激光沉积  9-12
    1.1.1 脉冲激光烧蚀(PLA)  9-10
    1.1.2 脉冲激光沉积(PLD)  10-11
    1.1.3 脉冲激光沉积的一般特点  11-12
    1.1.4 脉冲激光沉积的发展前景  12
  1.2 碳膜和DLC薄膜  12-14
    1.2.1 碳材料  12-13
    1.2.2 金刚石和类金刚石碳(DLC)薄膜,碳氮薄膜  13-14
  1.3 氧化锌  14
  1.4 硅基发光材料  14-15
  1.5 本文的研究内容和安排  15-16
第二章 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积  16-21
  2.1 气体放电技术  16-17
  2.2 ECR微波放电和ECR等离子体  17-19
  2.3 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积  19-20
  2.4 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积装置  20-21
第三章 ECR等离子体辅助脉冲激光沉积碳基薄膜  21-38
  3.1 DLC薄膜和CNx薄膜  21-22
    3.1.1 DLC薄膜  21-22
    3.1.2 碳氮膜的研究背景  22
  3.2 DLC薄膜的制备  22
  3.3 DLC薄膜的表征和结果讨论  22-33
    3.3.1 偏压的影响  23-27
    3.3.2 ECR氩等离子体的影响  27-33
  3.4 CNx薄膜的制备,结果和表征  33-36
    3.4.1 CNx薄膜的制备  33
    3.4.2 结果和表征  33-36
  3.5 ECR氩等离子体和ECR氮等离子体的作用  36-37
  3.6 本章小结  37-38
第四章 ZNO薄膜的制备和表征  38-43
  4.1.ZNO薄膜的研究背景  38-39
    4.1.1 ZnO薄膜的晶格结构  38
    4.1.2 薄膜的制备方法  38-39
    4.1.3 ZnO薄膜的研究现状  39
  4.2 ZNO薄膜的制备  39
  4.3 ZNO薄膜的表征  39-42
    4.3.1 透射谱  40-41
    4.3.2 ZnO薄膜的AFM图  41-42
  4.4 本章小结  42-43
第五章 纳米硅镶嵌氧化硅薄膜的制备尝试  43-48
  5.1 实现硅基发光的几种途径  43-44
    5.1.1 多孔硅发光  43
    5.1.2 纳米硅镶嵌氧化硅的发光  43-44
    5.1.3 掺Er硅的发光  44
  5.2 纳米硅镶嵌氧化硅薄膜的制备设想  44-45
  5.3 氧化硅薄膜退火处理和光致发光测量  45-47
  5.4 在实验上的建议  47
  5.5 本章小结  47-48
第六章 总结与展望  48-50
参考文献  50-52
研究生期间发表的论文  52-53
致谢  53-54

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学
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