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碳化硼薄膜的激光法制备及性能

导读: 本文采用KrF准分子激光器,在Si,Ge光学衬底上制备了碳化硼薄膜,研究了不同激光能量、靶材与衬底距离、衬底负偏压等条件对薄膜性能的影响。

  本文采用KrF准分子激光器,在Si,Ge光学衬底上制备了碳化硼薄膜,研究了不同激光能量、靶材与衬底距离、衬底负偏压等条件对薄膜性能的影响。利用傅里叶变换红外光谱仪(FT—IR)和纳米压痕仪,并依据光学薄膜测试的通用标准,对样品的光学透过率、纳米硬度及膜层与衬底的结合性能进行了测试。结果表明:Si,Ge衬底单面镀碳化硼薄膜后最高透过率提高1O 以上,纳米硬度提高到未镀膜的3倍以上,且膜层与衬底有较好的结合性能,表明制备的碳化硼薄膜可对光学材料起到较好的增透保护作用。

  碳化硼具有高硬度、高熔点、高弹性模量等众多的优异性能,自1858年发现以来,在机械、电子、热学、化学领域受到材料研究者越来越多的关注,可广泛用于制作各种耐磨零件、热电偶元件、高温半导体等,但其在光学方面的应用研究相对较少。碳化硼折射率约为2.2,而常用光学材料如Si( 一3.42),Ge( 一4.0)折射率较大,在光学衬底上镀制碳化硼薄膜有可能起到增透保护作用。采用粒子束沉积的碳化硼薄膜可将在紫外线范围内(67.O~121.6 rim)的垂直入射光的反射率提高3O 。碳化硼薄膜的制备方法研究较多的是化学气相、沉积法和磁控溅射法。为了使碳化硼薄膜得到更广泛的应用,必须提高碳化硼薄膜与衬底的结合力,降低其应力并提高薄膜的均匀致密性。国外开展了激光沉积法制备碳化硼薄膜的研究,如采用KrF激光(248 nm)和Nd:YAG四倍频激光(266 nm)制备碳化硼膜,发现碳和硼原子比及结合状态等都与激光通量密度有关;在不同衬底温度、衬底偏压等条件下制备了碳化硼薄膜,研究了薄膜的表面形貌、碳和硼比例、吸收及硬度等特性,发现当激光能量密度为5 J/cm 时,薄膜硬度最高。硅和锗是当前最常用的红外光学材料,本文采用激光沉积法在这两种材料上制备了碳化硼薄膜,研究了不同激光能量、靶材与衬底距离、衬底负偏压等对薄膜性能的影响,并对薄膜的光学透过率、硬度及与衬底的结合性能进行了测试分析。

  1、碳化硼薄膜制备

  该实验采用Compex205型KrF准分子激光器(波长248 nlTl,脉宽20 ns,重复频率50 Hz,单脉冲能量小于850 mJ),靶材由碳化硼粉末烧结而成,大小为+30 mm,将碳化硼粉末与石墨粉混合制靶,并调节石墨粉的比例,可控制靶材中硼的含量,衬底选用P型Si和Ge,大小为$25.4 mm。衬底在放入真空室前先用金刚石粉悬液清洗形成微缺陷,以提高薄膜与衬底的结合力,再用乙醇清洗去除表面有机物,烘干后立即放入真空室,同时为了进一步提高薄膜的结合性能,在镀膜前将衬底采用Ar 溅射清洗10 min。在室温、真空度1O Pa条件下,分别在不同激光能量(200~800 mJ)、靶材与衬底距离(4~8 cm)和衬底负偏压(0~一600 V)条件下镀制了碳化硼薄膜,采用Nicolet6700型傅里叶变换红外光谱仪(FT—IR)对Si,Ge样片的透过率进行测量,采用Nano Indenter G2OO0型纳米压痕仪对样品表面的纳米硬度及弹性模量进行测量,并依据光学薄膜测试的通用标准,对样品的膜层与衬底结合性能进行了测试。

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