含氮和无氮的碳化锗薄膜键合结构和性质研究

发布时间：2017-03-20 03:06

  本文关键词：含氮和无氮的碳化锗薄膜键合结构和性质研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳化锗(Ge_(1-x)C_x)薄膜具有优良的光学和力学性能,这些特点使其可以应用为红外增透保护膜材料和半导体薄膜材料,并引起了研究者的广泛关注。迄今为止,对碳化锗薄膜的研究取得了显著的成就,然而尚且存在如下不足:(1)已有研究表明碳含量是影响碳化锗薄膜硬度的一个重要因素,但是文献报道的硬度结果差异较大,键合结构对硬度影响的微观机制尚不清楚;(2)碳化锗薄膜存在硬度低和光学带隙窄两个不足。这两个缺点共同导致碳化锗薄膜作为红外增透保护膜时,难以在高速飞行条件下使用,如何提高硬度和光学带隙是亟待解决的问题。针对以上问题,本文利用磁控溅射方法,以CH_4、Ar、N_2为放电气体,制备了Ge_(1-x)C_x和Ge_(1-x-y)C_yN_x:H薄膜。通过X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶红外变换光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)、轮廓仪、纳米压痕仪等手段表征薄膜的键合结构、光学性质及力学性质。主要发现点如下:(1)碳含量(x)显著影响着Ge_(1-x)C_x薄膜的键合结构和硬度。当碳含量较低时(x0.17),薄膜中主要存在着Ge-Ge键,使其接近于纯Ge网络。当碳含量较高时(x0.40),薄膜中大量的sp2C-C键使其接近于石墨结构。因此,过低和过高的碳含量都不利于形成高硬度的Ge_(1-x)C_x薄膜。相比之下,当0.17x0.40时,大量sp~3C-Ge键的形成促进了共价键网络的形成,使得Ge_(1-x)C_x薄膜硬度提升。研究发现,sp~3C-Ge键浓度是影响Ge_(1-x)C_x薄膜硬度的重要因素。(2)氮的引入能显著改善碳化锗薄膜的光学及力学性能。随着氮的引入,Ge_(1-x-y)C_yN_x:H薄膜中Ge含量基本维持不变,同时C含量降低,N含量升高,即C原子逐渐被N原子所取代。薄膜的折射率从3.0持续降低到2.3,这是由于N原子取代C原子之后,分子极化率的降低;薄膜的光学带隙从1.11eV升高到1.56eV,这是由于强的Ge-N键取代相对弱的Ge-C键,从而提高了电子的平均束缚能;硬度从6.25GPa提高到11.73GPa,这是由于Ge-N键取代Ge-C键后,键能增加,同时形成共价网络;薄膜的Urbach带尾宽度从198.77meV增加到327.94meV,这主要归因于介电系数的下降,而非结构无序度的影响;但是当氮含量超过9.7%时,薄膜的远红外透过率降低,这是由于Ge-N键取代Ge-C键之后,键能的增加使得晶格振动频率增大。综上,作为红外增透保护膜时,存在着最优的氮含量范围。
【关键词】：碳化锗 锗碳氮 键合结构 力学性质 光学性质
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 碳化锗薄膜的制备方法10-12
• 1.2.1 磁控溅射法10-11
• 1.2.2 化学气相沉积11
• 1.2.3 脉冲激光沉积11
• 1.2.4 离子溅射11-12
• 1.3 碳化锗薄膜的键合结构和性质12-22
• 1.3.1 碳化锗薄膜的键合结构12-13
• 1.3.2 碳化锗薄膜的性质13-22
• 1.4 研究依据与主要内容22-24
• 第二章 薄膜的制备与表征24-30
• 2.1 磁控溅射的工作原理24-26
• 2.2 样品的制备26-27
• 2.3 样品的表征27-30
• 第三章 碳含量对碳化锗薄膜键合结构和硬度的影响30-38
• 3.1 引言30
• 3.2 碳含量对碳化锗薄膜成分和键合结构的影响30-34
• 3.3 碳化锗薄膜硬度随碳含量的演变及机制34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 氮引入对碳化锗薄膜成分、键合结构、光学及力学性能影响的研究38-60
• 4.1 引言38
• 4.2 氮引入对碳化锗薄膜成分和键合结构的影响38-47
• 4.2.1 氮引入对碳化锗薄膜化学成分的影响38-40
• 4.2.2 氮引入对碳化锗薄膜结构和表面形貌的影响40-43
• 4.2.3 氮引入对碳化锗薄膜化学键的影响43-47
• 4.3 氮引入对碳化锗薄膜光学和力学性质的影响47-58
• 4.3.1 氮引入对碳化锗薄膜折射率的影响47-50
• 4.3.2 氮引入对碳化锗薄膜光学带隙的影响50-52
• 4.3.3 氮引入对碳化锗薄膜Urbach带尾宽度的影响52-54
• 4.3.4 氮引入对碳化锗薄膜红外透过性的影响54-56
• 4.3.5 氮引入对碳化锗薄膜硬度的影响56-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第五章 结论60-62
• 参考文献62-72
• 硕士期间所获得科研成果72-74
• 致谢74

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