《射频磁控反应溅射法制备y-2c2-o-2c3-薄膜的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频磁控反应溅射法制备y-2c2-o-2c3-薄膜的研究（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章文献绣述1 1 研究背景及意义第一章文献综述现代航空、航天技术及红外技术高速发展，红外光学元件的服役环境越来越苛刻，因此对红外窗口、头罩材料的物理性能和化学性能提出了越来越高的要求呼l 。例如超音速飞机、空空导弹等高速飞行器的前视红外窗口、头罩将承受高温、高压、热冲击、大气中的游离灰尘和冰雹等固体粒子以及南滴的撞击等严峻条件的考验。红外窗口和头罩是红外系统不可缺少的部件，其功能是保护热成像系统在高速( 速度常达3 4 马赫) 飞行中以及在各种严酷的环境条件下正常工作。例如飞行器高速飞行时，其窗口或头罩由于空气动力加热，表面温度会急剧上升。图1 1 为飞行器窗口或头罩的驻点温度与飞行马赫数
2、及飞行海拔高度三者之间的关系曲线1 3 】。从图中可以看到，当飞行器以5 马赫在2 0 k m高度飞行时，表面温度可以达到1 0 0 0 。C 以上。因此，红外窗口材料除了必须具备高红外透过率外，还必须具有高的机械强度、耐磨损、抗风沙雨蚀、抗化学腐蚀等性能，且在高温、低温及辐射等各种苛刻条件下，其光学和物理化学性驻 点 温 度 I l p “- 一 _ 男jl；= ：# ：二E 。|? ”r ! 、专 一 璧；溽平面簿l j _ = _ = 薹豪凌蕊未j穰绸荔孽睡、警誊弱k r n !黼! I ； l 马赫数豳l 。l 驻点温度与马赫数及海拔高度三者之间的关系F i g 1 lS t a g
3、n a t i o nt e m p e r a t u r e af u n c t i o no f M a t hn u m b e ra n da l t i t u d e西北工业大学工学硕士学位论文能稳定性良好。W A V E I ，E N G T I - I u m l0 2H 2 0 0 0 21 4 2 0H 2 0C - 0 2C 0 2c o i 0 3 H 2 0 C 0 20 3A b s o r b i n g 知l o l e c u l e图l t 相对湿度4 0 0 , 4 ，高度距海平面1 8 k m 的大气红外透过光谱。F i g1 - 2T r a n
4、s m i t t a n c eo f a i r , 0 1 11 8k i l o m e t e rh i g h , r e l a t i v eh u m i d i t y4 0 红外线和无线电波、可见光、x 射线等一样都是电磁辐射。通常按照它们各自所占据的波长( 或频率) 范围排列起来形成电磁波谱。红外线是波长介于O 7 5 u n l 到1 0 0 0 9 m 之问的电磁辐射。在红外技术领域中，不同波长的红外电磁辐射在地球大气层中传输特性不同，例如在某波段H 2 0 、C 0 2 、0 2 和0 3 等大气中的气体或液体成分会对红外电磁辐射产生强烈地吸收，造成该波段大气红外
5、透过率明显下降，某波段处甚至不能透过，如图l 一2 大气红外透过光谱 3 l 。因此通常又把整个红外辐射分成下列几个波段，分别称为：近红外( O 7 5 3 m ) 、中红外( 3 6 9 m ) 、远红外( 6 1 5 9 m ) 和极远红外( 1 5 1 0 0 0 9 m ) 。这种划分仅仅是为了红外技术工作的方便，采用这种划分的方法，可使前三个波段中的一个波段至少包含一个大气窗口，而最后一个波段，大气对它已基本上不透明了。红外制导武器的使用波段一般选取长波红外( 8 1 4 I _ t m ) 、中波红外( 3 5 9 m ) 和短波红外( O 8 2 7 9 i n ) ，这是因为在
6、这三个波段区大气的透过率最高。目前使用的红外光学材料如Z n S 、Z n S e 、O e 等，均不能同时具备所需的光学、热学和机械性能，尤其是在8 1 2 1 a m 的长波红外波段。目煎只有会刚石完全能满足这些方面的苛刻要求。表1 1 是金刚石与其他常用红外材料的物理性质。可看出金刚莅集力学、电学、热学、光学等优异特性于一身。金刚石具有很优异的光学性质，除大约在3 5 p , m 位置存在微小吸收峰( 出声子振动引起)第一审文献综述 _ I I一，I _ 自t _ 日_ _ E 目_ _ s ! 曼 外，从紫外( O 2 2 9 m ) 到远红外( 毫米波段) 整个波段金刚石都具有高的透
7、过率，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料，金刚石的商透过率、高热导、优良的力学特性、发光特性和化学惰性，可作为光学上的最佳应用材料。高散热率、低摩擦系数和透光性，还可作为导弹的整流罩材料。化学稳定性姘、耐磨蚀、抗辐射，特别适用于恶劣的环境，这些性能决定了金刚石比其他红外材料其有更广阔的应用前景，它可以作为红外窗口的保护涂层，同时也可作为独立的金刚石窗口和头罩使用1 4 】。表1 1 金刚石与其他常用红外材料的物理性质T a b l e l lP h y s i c a lp r o p e r t i e so f d i a m o n da n ds o f t i eo t h e
8、 ri n f r a r e dm a t e r i a l物理性质盘刚石G eG a A sG a PZ n SZ n S e密度( g c m 3 )5 4 85 3 25 3 24 1 34 0 95 。2 7硬度( k g m m 2 )9 0 0 08 5 07 5 08 4 02 5 01 5 0熔点( )3 7 7 09 3 71 2 3 81 4 6 71 8 3 01 5 2 0带隙( e V )5 4 00 71 4 32 2 43 5 82 6 7折射系数( 1 0 9 m )2 44 0 0 83 2 7 02 8 9 52 1 9 22 0 4 3折射指数的温度系
9、数( 1 矿K _ 1 )1 04 0 01 4 71 0 04 6 36 0吸收系数( 1 0 1 t m ，c m 。1 )O 10 0 2 8O O l0 3 7 00 1 0 40 。0 0 0 5断裂韧性( M P a m m )7 O0 70 40 、81 0O 5断裂强度( M P a )1 0 0 09 3 07 1 73 6 ，51 0 35 5 2杨氏模量( G P a )1 0 5 01 0 38 4 81 0 37 , t 56 7 2热导翠( m C a l c m - I S - 1K 。)2 01 6 72 3 82 6 34 04 3热膨胀系数( 1 0 4 K
10、 1 )1 O6 I5 7537 8 51 9 7然而，金刚石在7 5 0 以上的空气中很容易被瓴化，与氧气反应生成C O 、C 0 2 或转化成热力学更稳定的石墨。金刚石表弱在这样的气氛中仅仅暴露几秒钟，就会发生严重刻蚀，导致光学性能急尉下降。蔼在飞行器高速飞行的过程中，由于空气动力加热，窗口和头罩很容易达到8 0 0 以上的温度因此必须对高温服役的金剐石窗1 ：3 或头罩实施抗氧化保护攒施，同时也要考虑提高其光学性能，增加透过率。这可以通过对金剐石避杼表面改性处理和在盒刚石表面镀制抗氧化、增透涂层来实现。因此，在金刚石树底上制备既满足红外增透要求又满足抗氧化的要求的薄膜以及相关的镀膜技术是
11、保证金剐石用作高速红夕p窗口和头翠所要解决的关键闯题，对精确制导技术的发展有着重要的意义。西北工业大学工学硕士学位论文_ _ - 目- - _ - - _ _ l _ _ - - _ - _ - _ _ I II Ii , i II _ _ - E 1 2 金刚石的氧化现象和视理在金刚石的应用领域中，经常涉及到金刚石在较高温度下的使用问题，所以金刚石的高温氧化行为已成为令人关注的问题。对于金刚石的氧化机理，因为研究者采用的研究方法以及建立的氧化模型不同，所褥出的结论也不相同。J a n eY u a nH o w e 5 J 等人采用密度泛函理论( D F T )中的广义梯度近似( G G A
12、 ) ，分别对( 1 1 1 ) 、( 1 1 0 ) 和( 1 0 0 ) 三个晶面在氧化时表面吸附氧原子后，晶胞总镌量与碳原子位置的松弛以及晶胞参数的优化之间的关系进行了计算机模拟。对每一个晶面，根据实时环境的不同，模型中所选择晶胞的层数以及每层原予数目不尽相同。温度和氧气压强是对金刚石表面发生物理或化学变化最具影响的因素，并直接影响其表面氧覆盖率。因此作者仅采用表面氧覆盖率参数来判断各种条件下的氧化机制。结果发现，不论其表面氧覆盖率的大小，( 1 l O ) 和( 1 0 0 ) 面的表面结构变化很小，即不易遭受氧化。而变化最大的是( “1 ) 面，这可能归结于( 1 1 1 ) 筒有最
13、高的驰豫能，因此最容易遭受氧化。并虽( 1 1 1 ) 面有最低蠹龟悬挂键密度，因此有最低的反应能，反应速率最大。且随着反应的进行，( 1 1 0 ) 晶面取向逐渐转变为( 1 1 1 ) ，极大的加快了反应速率。表1 2 是金刚石各晶面的悬挂键密度。表1 2 金削石各晶面的悬挂键密度T a b l e l - 2D e n s i t yo f h a n gb o n d o f d i f f c c e n t o r i e n t a t i o n e x p o n e n t每个表面原子的每个面原子相对悬挂链袭面原子晶面指教袭面键蕊积密度| 0 2 1 I n “ 2( 1
14、0 0 )26 3 61 01 5 7( 1 1 0 )14 5 00 7 12 2 2( 1 1 1 )l5 5 lO 5 81 8 lC h a n gQS u n 6 3 】使用氧化物成键模型显示，在氧化过程中，氧原予撞入体内，同负电性稍低的四个碳原予进行s P 鞔遂杂化，形成正四西体( 由一个共享电子对和两个孤对电子组成) 。孤对电子阀的强烈摊斥在金刚石表面终端形成偶极子。偶极子与氧原子之间没有共享电子，因此交互作用非常弱。这恰好为高温下受侵蚀提供了条件，这些在表丽形成的弱键偶极子迅速从表面气化。图1 3 示第一章文献综述一II I，I I I I II I I II I 自t E 皇
15、 出金刚石( 1 1 1 ) 恧和( 2 2 0 ) 面的原予环境。各原予分别用0 、l 、2 、3 、4 作为代号。( 1 “) 面的三个原予1 、2 、3 很容易同最近的原子4 结合，吸收氧原子形成正四面体。丽当( 2 2 0 ) 面的0 、l 、2 原予同最近邻碳原子3 或4 结合时，很难再与氧结合形成正四面体。( 1 1 1 ) 面比( 2 2 0 ) 面更利于在邻近层找到最近邻C原子形成氧化物正四面体，即( 2 2 0 ) 面比( 1 1 1 ) 面更难于形成氧化物四面体，因此缀难在金刚石表撼形成弱键偶极予，即在高温下前者比后者更稳定。这便解释了金刚石的氧化机理，也说明了为什么高密度
16、堆积的( 1 1 1 ) 面比( 2 2 0 )面更容易发生氧化。图1 - 3 金刚石中( 1 t 1 ) 和( 2 2 0 ) 面中缀子几何捧布示意蹦F i g 1 - 3S c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h eg e o m e t r i c a le n v i r o n m e n to ft h e ( 1 11 ) a n d ( 2 2 0 ) p l a n e so f t h ed i a m o n dP J o h n l 8 】研究了( 1 0 0 ) 面的氧化，认为是层层氧化机制。在高温常压F ，金刚石的( 1 0 0 ) 面吸附一层氧原子( 占据所有的悬挂
