射频反应磁控溅射制备氮化铜（Cu3N）薄膜及其性能研究

论文摘要

人工薄膜的出现是20世纪材料科学发展的重要标志。自70年代以来薄膜材料、薄膜科学、与薄膜技术一直是高新技术研究中最活跃的研究领域之一,并已取得了突飞猛进的发展。氮化铜（Cu3N）薄膜是一种具有较低的热分解温度,较高的电阻率,对红外光和可见光的反射率与Cu单质有明显差别的无毒廉价材料,可以应用于光存储器件和高速集成电路中,近年来得到了广泛的关注和研究。 目前使用最多、工艺相对成熟的制备氮化铜薄膜的方法是具有高效性和简便性的射频磁控溅射法。本文采用射频反应磁控溅射法在玻璃基底上成功制备了氮化铜薄膜,通过改变工作气压和沉积温度等实验参数,使薄膜出现了不同的形貌织构和不同的光学、电学性能,并且使用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见分光光度计、四探针电阻仪和纳米压痕仪等多种现代材料分析技术对薄膜的形貌结构及性能进行表征,主要结论如下: 通过射频反应磁控溅射法制备一系列氮化铜薄膜,并得出制备具有较高结晶度薄膜的沉积参量:溅射气压1Pa,基底温度150℃,工作气体为纯氮气;混合工作气体气氛中氮气分压对薄膜的择优生长取向有很大的影响,随着氮气分压的增大,薄膜由沿Cu3N（111）晶面择优生长转变为沿Cu3N（100）晶面择优生长;氮化铜薄膜样品未退火前的颜色为褐色,热处理的温度达到300℃左右时,薄膜完全分解,生成铜膜,颜色变为淡紫红色:形貌测试表明薄膜由分布均匀并紧密排列的柱状晶粒构成,表面致密光滑、均方根粗糙度较小,晶粒尺寸在纳米级;薄膜表面的元素成份分析证实薄膜中只有氮化铜存在;室温下所测薄膜的电阻率显示:靶距为60mm时制备的薄膜接近绝缘体,而靶距为40mm时薄膜属于半导体,随着氮气分压的增加,其电阻率从1.51×102Ω·cm增加到1.13x103Ω·cm,其光学能隙Eopt相应增大。氮化铜薄膜在可见光和近红外波段有较高的透过率,而分解后的铜膜透过率很低,在波长大于900nm波段处,两者的透过率差值达到50%以上;氮化铜薄膜的平均硬度为6.0GPa,平均残余模量为108.3GPa。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 薄膜概述
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 薄膜研究的发展概况
• 1.1.3 薄膜的制备方法
• 1.1.4 薄膜的特征
• 1.1.5 薄膜的应用
• 1.2 氮化铜薄膜的研究进展及现状
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 结构及基本特性
• 1.2.3 形貌特征
• 1.2.4 电学性质
• 1.2.5 光学性能
• 1.2.6 力学性质
• 1.2.7 应用前景及发展方向
• 1.3 本文研究目的和主要内容
• 参考文献
• 第二章 射频反应磁控溅射制备方法机理分析
• 2.1 射频反应磁控溅射法原理
• 2.1.1 直流辉光放电
• 2.1.2 射频辉光放电
• 2.1.3 射频原理
• 2.1.3 磁控原理
• 2.1.3 反应原理
• 2.2 溅射成膜的特性
• 2.2.1 溅射过程
• 2.2.2 薄膜生长模式及形成过程
• 2.2.3 溅射机理
• 2.3 溅射的特点和应用
• 2.3.1 溅射的特点
• 2.3.2 溅射的应用
• 参考文献
• 第三章 射频溅射法制备氮化铜及其表征方法
• 3.1 射频磁控溅射实验设备
• 3.2 实验材料
• 3.3 样品制备
• 3.3.1 基底清洗
• 3.3.2 镀膜实验主要操作过程
• 3.3.3 薄膜制备参数
• 3.4 样品表征原理技术
• 3.4.1 X射线衍射（XRD）分析
• 3.4.2 扫描电镜（SEM）分析
• 3.4.3 原子力显微镜（AFM）分析
• 3.4.4 X射线光电子能谱（XPS）分析
• 3.4.5 紫外-可见分光光度计测量能隙
• 3.4.6 四探针法测量电阻率
• 3.4.7 台阶仪
• 3.4.8 纳米压痕仪
• 参考文献
• 第四章 氮化铜薄膜的表征结果及讨论
• 4.1 不同溅射参数对晶体结构的影响
• 4.1.1 氮气分压的影响
• 4.1.2 纯氮气流量的影响
• 4.1.3 相同氛围下总气体流量的影响
• 4.1.4 基底温度的影响
• 4.1.4 总气压的影响
• 4.2 薄膜的热分析
• 4.3 表面形貌特征
• 4.4 薄膜表面成分分析
• 4.5 电学特性
• 4.6 光学特性
• 4.7 力学特性
• 4.8 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文