类金刚石薄膜的制备及光学性质研究
类金刚石膜（diamond—likecarbon，DLC）是一类在性质上和金刚石很类似，具有sp2和sp3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜。依据制备方法和工艺的不同，DLC的性质可以在非常大的范围内变化，既有可能非常类似于金刚石，也有可能非常类似于石墨。其硬度、摩擦系数、热导率、光学带隙、光学透光率、电阻率等等都可以依据需要进行“调制”。类金刚石薄膜集力学、热学、光学、电学等优异的性能于一身，这一特性使DLC深受研究者和应用部门欢迎。我们采用脉冲激光沉积法（PLD）用KrF准分子激光制备了一系列无氢的类金刚石薄膜。通过改变试验参数，研究了各种实验条件对类金刚石薄膜的微结构和光学性质的影响，对进一步推广类金刚石薄膜的应用具有重要的实用价值。论文的主要内容有：
（1）在不周的激光脉冲重复频率，生长温度，和激光功率密度下制备了系列无氢的类金石薄膜，发现当激光脉冲重复频率升高时，样品Raman谱中的D峰增强，同时G峰上移，紫外－可见光透射率降低，光学吸收系数变大，光致发光强度增强。在较低生长温度下生长的样品中含有较多的sp3成分，而在高温下生长的样品中sp2成分增多。这说明沉积条件发生上述变化时，样品中sp2相含量增多，sp2团簇的界域扩大，原子有序性增强。论文用原子有序化模型和Beeman理论解释了上述现象。同时，随着激光功率密度的变化，样品的Raman谱测量结果表明，随着激光功率密度的升起，样品中D峰减弱，ID/IG比值减小，说明样品中金刚石成分的增多，但是随着激光功率密度的进一步升起，样品的金刚石特性并没有得到进一步的增强。
（2）测量了无氢类金刚石薄膜的光致发光，光学常数，透射光谱，并由此根据Tauc公式求得光学带隙，发现当激光脉冲重复频率或者生长温度升高时，样品的光致发光强度增强，透射率降低，光学带隙减小，薄膜的电阻率减小。试验结果与Raman谱中G峰位的移动和ID/IG的比值之间存在着一一的对应关系。样品的发光峰随衬底温度升高而增强和红移。论文详细讨论了材料中局域电子状态和载流子的复合机制，认为样品的光致发光是由于不同界域的sp2团簇中局域载流子辐射复合而产生的。
（3）在氮气环境中制得了系列无氢类金刚石薄膜，发现当氮气的压强变大时，样品的Raman谱中D峰明显变强，ID/IG比值变大，并且随着氮气压强的变大，样品的AFM图显示薄膜的表面变得不平整，薄膜表面有许多颗粒状的物质出现。说明在氮气环境中不利于制备高质量的类金刚石薄膜。论文研究了不同氮压对薄膜结构和光学性质的影响，初步分析了氮气在薄膜生长过程中的作用。
类金刚石薄膜;非晶碳膜;制备工艺;光学性质;脉冲激光沉积;拉曼光谱
曲阜师范大学
硕士
物理电子学
李清山
2009
中文
TN304.18;TN304.055
40
2009-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）