纳米晶氮化碳薄膜制备的研究

论文摘要

本文主要论述了采用弧光放电（Arc Discharge）和直流空心阴极放电（DC Hollow Cathode Discharge）两种方法来制备纳米陶瓷氮化碳薄膜。其中重点研究的直流空心阴极等离子体放电方法是一种新的制备纳米氮化碳薄膜的方法。另外,作为早期的附加工作,还对不同放电方式的等离子体发射光谱进行了研究,其中包括介质阻挡放电（DBD）、空心阴极放电（HCD）和彭宁放电（PD）三种放电方式。 在研究初期首先采用的是弧光等离子体放电装置,利用这种方法成功制备出了氮碳薄膜,但所制备的膜的均匀性较差,主要是由于弧光等离子体电流密度过大、溅射强烈,容易形成大颗粒的碳团簇,由此造成膜的致密性差。基于此原因,又自行设计并搭建了一种新的等离子体放电装置——直流空心阴极等离子体放电装置。通过对直流空心阴极放电过程的研究,证明其是一种介于正常辉光放电与反常辉光放电之间的一种特殊的辉光放电形式。它具有工作气压高,维持电压低,阴极溅射率高等特点。通过测试工作气体压强对放电的影响,得到了空心阴极放电的最佳工作气压在90-160Pa之间。通过对其发射光谱的分析,得到了放电等离子体中的粒子包含C2、CN、N2+等能反应合成氮化碳的重要离子和原子团。通过借助对氩气等离子体的近似计算得到了空心阴极放电中的电子温度在1.7-2.6eV的范围。并且通过郎缪尔探针诊断计算得到了电子、离子的浓度随着放电电压与气压的变化在107～108cm-3之间变化。 利用空心阴极放电等离子体溅射技术在Si（100）基片上合成了高质量的氮化碳薄膜。从用扫描电镜获得的表面形貌图可以得出薄膜的表面均匀致密,平均晶粒大小在0～50nm之间。当在基片上增加负偏压,能够提高沉积速率并且使薄膜表面更加致密。为了研究薄膜的结构,采用了X光电子能谱（XPS）,X射线衍射（XRD）,拉曼和红外光谱等测试手段对

论文目录

• 引言
• 第一章 低温等离子体在薄膜制备中的应用
• 第一节 等离子体概述
• 1.1.1 等离子体的定义及其基本特点
• 1.1.2 等离子体的分类
• 1.1.3 低温等离子体沉积技术及其应用
• 第二节 发射光谱在等离子体诊断中的应用
• 1.2.1 发射光谱诊断的特点
• 1.2.2 超大气压范围的氦等离子体发射光谱分析
• 第二章 实验设计
• 第一节 弧光放电法实验装置及实验步骤
• 第二节 直流空心阴极放电法
• 2.2.1 放电原理
• 2.2.2 实验装置
• 第三节 样品的制备
• 2.3.1 基片的选择与清洗
• 2.3.2 放电电压、气压以及处理时间的改变
• 2.3.3 有无偏压以及偏压大小的改变
• 第三章 测试及分析
• 第一节 弧光放电法实验结果与分析
• 3.1.1 等离子体的发射光谱
• 3.1.2 扫描电镜和薄膜干涉图
• 3.1.3 拉曼、红外光谱分析
• 3.1.4 小结
• 第二节 直流HCD法放电过程的研究
• 3.2.1 放电现象
• 3.2.2 伏安特性曲线
• 3.2.3 压强对放电电流电压的影响
• 3.2.4 等离子体发射光谱诊断结果
• 3.2.5 光谱法诊断电子温度
• 3.2.6 单探针法诊断电子、离子浓度
• 3.2.7 小结
• 第三节 直流HCD法所制备薄膜的形态结构测试
• 3.3.1 扫描电镜（SEM）测试
• 3.3.2 X光电子能谱（XPS）测试
• 3.3.3 X射线衍射谱（XRD）测试
• 3.3.4 红外和拉曼光谱测试
• 3.3.5 小结
• 第四章 总结与结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢