类金刚石薄膜的制备和光学性质研究

论文摘要

类金刚石薄膜（Diamond-like carbon films）发现于20世纪70年代,是一系列含有sp3和sp2键的非晶碳膜,它有着和金刚石膜非常接近的性质——高硬度、高弹性模量、耐磨损、低摩擦系数、高电阻率、高透光率和高化学稳定性等。因此,类金刚石薄膜技术被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域。掺杂的DLC膜是一种非晶半导体材料,禁带宽度可以在1-4eV之间调制,可大面积生长,材料自身和加工过程环保,在光电探测领域的运用具有非常大的潜力。但目前DLC半导体掺杂尚无法获得n型或者p型DLC半导体材料。本文对DLC薄膜的制备、掺杂、结构表征和光学性质进行了研究,主要工作分为两个部分:第一部分是本征和掺杂DLC材料的制备和表征。采用磁控溅射、多弧离子镀和PECVD三种方法制备高质量DLC薄膜,对DLC材料进行B元素和N元素的掺杂,对所制备的薄膜进行表面平整度、硬度和厚度方面的表征,对掺杂DLC膜进行俄歇能谱测试;对本征及掺杂DLC材料进行拉曼光谱分析,提出了一种基于G峰宽度的拉曼光谱分析新方法。采用G峰宽度分析法对非氢、含氢和掺杂DLC薄膜的拉曼光谱进行了详细的分析,得出硼原子的掺入主要以链状sp2的杂化形式存在的结论。第二部分是DLC薄膜的光学性质研究。利用椭圆偏振仪测试了DLC薄膜的折射率和消光系数,利用紫外-可见分光光度计测试了薄膜的透射率,计算了本征和掺杂DLC薄膜的光学带隙,发现掺杂使DLC薄膜的光学带隙变窄;揭示了DLC薄膜的本色只有一种,即茶色,其彩色的显现是由于光的反射和干涉引起。同时计算了SiO2和Si衬底上DLC薄膜随厚度变化的色彩分布,并给出对应的色卡为快速判断DLC薄膜的厚度提供了依据。通过DLC薄膜的制备、结构表征和光学性质的研究,为DLC薄膜的有效掺杂和在半导体方面的应用提供前提和基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 DLC薄膜的物理结构
• §1.2 含氢DLC薄膜和无氢DLC薄膜
• §1.3 DLC薄膜的运用前景
• §1.4 DLC薄膜的掺杂
• §1.5 本文的研究内容和目的
• 参考文献
• 第二章 多种方法制备本征DLC薄膜
• §2.1 衬底材料的选择及其处理
• §2.2 磁控溅射制备DLC薄膜
• 2.2.1 磁控溅射设备简介
• 2.2.2 磁控溅射制备DLC薄膜的工艺条件
• §2.3 多弧离子镀制备DLC薄膜
• 2.3.1 多弧离子镀设备简介
• 2.3.2 多弧离子镀制备DLC薄膜的工艺条件
• §2.4 PECVD制备DLC薄膜
• 2.4.1 PECVD设备简介
• 2.4.2 PECVD制备本征DLC薄膜的工艺条件
• 参考文献
• 第三章 掺杂DLC薄膜的制备
• §3.1 掺硼DLC薄膜的制备
• §3.2 掺氮DLC薄膜的制备
• 参考文献
• 第四章 DLC薄膜的结构表征
• §4.1 表面平整度
• §4.2 硬度测试
• §4.3 厚度测量
• §4.4 俄歇能谱
• 参考文献
• 第五章 DLC薄膜的拉曼光谱
• §5.1 DLC薄膜的拉曼光谱简介
• §5.2 DLC薄膜的拉曼分析新方法
• §5.3 本征DLC薄膜的拉曼光谱分析
• §5.4 掺硼DLC薄膜的拉曼光谱
• 参考文献
• 第六章 DLC薄膜的光学性质表征
• §6.1 椭圆偏振仪测试薄膜折射率和消光系数
• §6.2 紫外-可见分光光度计测试薄膜的透射率
• §6.3 光学带隙的计算
• 参考文献
• 第七章 DLC薄膜的色卡计算
• §7.1 DLC薄膜的色彩分析
• §7.2 SIO2衬底DLC薄膜的色卡计算
• §7.3 SI衬底DLC薄膜的色卡计算
• 参考文献
• 第八章 研究工作总结及展望
• 硕士期间发表论文情况
• 附录一 磁控溅射靶材及阳极套尺寸
• 附录二 多弧离子镀石墨靶材及金属套尺寸
• 附录三 标准荧光波谱数据
• 附录四 三基色波谱数据
• 致谢