氮化钛薄膜的光学性能分析.pdf

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1、文章编号：（）氮化钛薄膜的光学性能分析金永浩姚李英汤兆胜邵建达范正修（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海）摘要：利用磁控溅射法，在不同的工艺条件下制备氮化钛薄膜。详细分析了不同工艺条件下薄膜的光谱选择特性以及相应的光学常数，通过俄歇电子能谱对薄膜的不同深度的元素成分进行了分析，由原子力显微镜测量并处理得到氮化钛薄膜的表面形貌图。结果表明，氮化钛薄膜的光学性能严格依赖于氮和钛原子数比，符合化学计量比的薄膜具有良好的光谱选择性。基底加负偏压溅射可进一步改善薄膜的性能。关键词：薄膜物理学；光谱选择；光学常数；!!中图分类号：文献标识码：引言化钛薄膜的光学性能，接着分析了在基底加负偏压的条件下

2、镀制的薄膜的性能，最后深入地分析了氮化钛氮化钛薄膜以其极高的熔点和硬度、良好的耐薄膜化学成分对薄膜性能的影响。腐性以及完美的黄金色泽，在工业和商业中得到了实验广泛的应用。氮化钛结构是由离子键、金属键和共价键混合结合而成的，其中氮的"轨道能级低于费!"样品制备米能级，这将导致自由电子的运动有些类似于在金同时使用直流溅射和射频溅射分别对两个钛靶属的#轨道上的运动［］。这样的电子结构不仅会进行溅射，溅射气体为氩气与氮气的混合气体，氮气使氮化钛具有良好的导电性，也会导致氮化钛薄膜的摩尔分数为，靶到基底的距离为。溅射前本底真空度抽到的光学性能与金、银等贵金属薄膜相类似：膜较薄以下，溅射气压维时，在可

3、见光区半透明及红外区高反射。所以近些持在。镀膜过程中，基底随样品夹匀速转动，直流溅射功率维持在不变，通过改变射频溅射年来，国外许多厂家已开始将氮化钛作为太阳能选［，］功率（）来实现不同化学计量比的氮化钛择性透射膜的透明热镜层，不仅如此，氮化钛薄薄膜的制备，并通过改变溅射时间来控制膜层厚度。膜在汽车窗口、建筑薄膜、节能薄膜等相关领域也有着广泛的应用前景。以往的氮化钛薄膜研究工作主基底均为玻璃。样品分别为不同溅射功率下制备的样品，样品在镀制过程中玻璃要集中在外观色泽（用于仿金饰品）、硬度和耐高温特基底加有偏压。具体工艺参量见表。性（用于刀具加硬）等方面，而关于氮化钛薄膜的光学性能方面的研究国内

4、外期刊上的报道并不多见。本文主要讨论的是氮化钛薄膜用于太阳光谱选择性透射的光学特性，即要求在可见光区有较高的透射率，同时在近红外的透射率尽可能低。大量的实验表明，利用磁控溅射法溅射钛靶来制备氮化钛薄膜时，膜的性能及化学元素成分对氮气分压以及溅射功率非常敏感［］。由于氮气分压的精度较难控制，为了保证实验的可重复性，在实际制备薄膜过程中，将氮气和氩气按照一定的比例混合作为反应溅射气体，通过改变溅射功率来镀覆氮化钛薄膜。这篇论文首先探讨了在稳定氮气分压的条件下，不同功率溅射的氮!!样品测试：）光谱测试收稿日期：；收到修改稿日期：使用型分光光度计对样品的光谱特性［］进行了测量，其中测试了样品压，大

5、大改善了薄膜的光谱选择性能，这可能是由于的区间的透射率曲线；同时对样品负偏压的存在，可使氩离子反溅射基底，去除了玻璃基底表面吸附的氧和水分子［（］氧含量的增加，是导进行了区间的反射率测量。致近红外透射率增加的原因之一）以及其他杂质，同）光学常数测定时使膜层变得更加致密、均匀，从整体上改善了薄薄膜的光学常数直接关系到薄膜的光学性能，膜的光谱性能。文献［，］中对薄膜的光学常数进行了测定。较薄的氮化钛薄膜与块体氮化钛材料相比，其光学常数存在一定的差异，因而有必要测定实际的氮化钛薄膜的光学常数。测试方法是首先测出正入射时薄膜，的透射率和反射率曲线以及薄膜的厚度。由于透射率和反射率依赖于薄膜的光学常

6、数（，）、膜厚以及波长!，故可列出如下方程组：（，，，!）（!），}（，，，!）（!）!#光学常数的测定通过计算机辅助编程优化求解，便可获得（!）和薄膜的光学性能主要是由光学常数决定的，研（!）数据。究不同工艺条件下制备的氮化钛薄膜的光学常数有）形貌及元素含量分析着十分重要的意义。图所显示的分别为为了研究氮化钛薄膜的表面形貌，我们对在区间的透射率和反射率曲线。样品作了原子力显微镜测试。为了对比研究不同溅使用等厚干涉仪测量、和的膜厚分射功率下镀制的氮化钛薄膜的各化学元素组分比别为、和。根据前面提到的光学例，我们对样品和进行了俄歇电子能谱常数测量方法，通过计算机编程计算出的平均光学测试，测试结

7、果给出了不同深度处的各化学元素的常数（!）和（!）如图所示。含量。实验结果与讨论!"光谱选择性能图为样品的透射率曲线对比图。可以看出，随着溅射功率的增大，可见光区的透射率峰值波长开始向短波漂移，这是由于功率增加，相应地钛原子的溅射速率加大，在氮气分压保持不变的条件下，膜层中的原子数比增大。可见，钛相对含量的增加是导致透射率峰值波长开始向短波漂移的主要原因。样品和在镀制过程中，射频溅射功作为太阳光谱选择性薄膜，其性能的好坏