非晶态碳膜和碳氮薄膜的结构与性质

论文摘要

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N s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。l nσT?1/4关系曲线的前导因子σ00和斜率T0 1/4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,N s总体上有所增加。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 非晶态碳膜（a-C）的研究背景
• 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
• 1.1.2.1 a-C 薄膜中的类扩展态和局域态
• 1.1.2.2 缺陷态
• 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