射频磁控溅射制备HfMoNbZrN_(x)薄膜的组织和性能

利用射频磁控溅射技术分别在单面抛光Si(001),Al_(2)O_(3)(0001)和硬质合金(WC-8 wt.%Co)基底表面沉积HfMoNbZrN_(x)薄膜,研究不同氮气流量R_(N)对HfMoNbZrN_(x)薄膜的组织和性能影响。结果表明,HfMoNbZr薄膜倾向于形成非晶态,随着R_(N)的增加,HfMoNbZrN高熵合金氮化薄膜转变为面心立方(FCC)结构并且沉积速率下降;当R_(N)=10%时,薄膜硬度和弹性模量最大,分别为21.8GPa±0.88GPa和293.5GPa±9.56GPa;所有薄膜均发生磨粒磨损,相较于多元合金薄膜,氮化物薄膜的磨损率下降了一个数量级,薄膜耐磨性显著提高。

金属卤化物闪烁体薄膜的X射线成像研究进展

X射线成像在核辐射安全、无损检测、安全检查、医学诊断等领域有着广泛需求。然而,传统闪烁单晶受限于高成本耗时工艺、有限体积尺寸以及固有脆性,难以实现高效、灵活的X射线成像。相较而言,基于金属卤化物纳米晶/微晶设计的闪烁体薄膜具有简便制备、大面积尺寸、柔性变形、高效发光等显著优点,在X射线成像应用上展现出巨大潜力。本文详细综述了近几年金属卤化物闪烁体薄膜的X射线成像研究进展,首先以是否单独合成金属卤化物纳米晶/微晶为依据,将金属卤化物闪烁体薄膜制备方法概括分为两类:晶体复合成膜法、原位结晶成膜法,对比分析了两类制备方法的优缺点;其次明晰了金属卤化物晶体的发光机理,对改善闪烁体薄膜发光性能做出指导,并据此总结发光效率提升方法;再次归纳了与金属卤化物闪烁体薄膜X射线成像应用相关的各种性能,主要包括空间分辨率、柔韧性、稳定性和自修复性;最后根据研究现状对闪烁体薄膜进行总结与展望。

电化学沉积Ni_(x)O_(y)薄膜及电致变色性能研究进展

围绕电化学沉积Ni_(x)O_(y)电致变色薄膜致色效率低、响应速度慢及循环稳定性差等问题,综述了电解液pH、电流密度和沉积时间等电化学沉积参数对Ni_(x)O_(y)薄膜性能的影响。重点阐述了掺杂改性、纳米结构设计和薄膜复合3种优化Ni_(x)O_(y)薄膜电致变色性能的方法。最后,对Ni_(x)O_(y)薄膜未来发展趋势进行了展望。

基于X射线吸收光谱法的塑料薄膜厚度测量

塑料薄膜是我国塑料产品中占比五分之一的大宗类型,在厂家生产时最重要的指标之一为塑料薄膜厚度,如何准确、快速、方便地测量塑料薄膜厚度是一项具有重大经济价值的研究课题。为验证X射线吸收光谱法测量塑料薄膜厚度的可行性,制作了不同厚度的聚乙烯塑料薄膜实验样本,设置30 kV的管电压以及1μA的管电流激发X射线,照射不同厚度的塑料薄膜样品,用X射线探测器采集空白光谱数据和不同样本的原始X射线吸收光谱数据,得到各光谱在256个通道中的光子强度。在数据分析过程中,为达到数据降维的效果,选择主成分分析法处理所采集的数据;再将维数降低后的新数据集分两次分析,一次直接进行机器学习,另一次进行归一化处理后再进行机器学习。在机器学习中,其中的70%作为训练集,剩余的30%作为测试集,输入数据为各组样本X射线吸收光谱,输出数据为模型预测的塑料薄膜厚度。同时,为降低随机性导致的误差,多次训练,以平均的准确率来评价厚度估计的效果。最后,对比分析实验数据的结论是,当误差包容度设置为50μm时,使用归一化处理后经机器学习的X射线吸收光谱法测量塑料薄膜厚度的准确率可以达到98.4%。同时,只要增加原始光谱数据的样本数,并有效规划不同厚度的采样分布,理论上可以大大提高该方法的精度,而且可以推广到其他材料的测厚任务。与市场上的其他测厚方式相比,X射线吸收光谱法测厚具备无损检测、快速检测以及适用范围广的优势,这对于丰富厂家生产线以及相关监管部门的塑料薄膜测厚技术、提高测厚效率、提升测量准确率具有较好的应用前景。

MoN_(x)薄膜制备及其在柔性不锈钢CIGS太阳电池中的应用

采用反应磁控溅射法制备MoN_(x)薄膜,研究N2流量对MoN_(x)薄膜的结构、形貌、元素组分和光电学特性的影响。通过XRD、SEM、紫外-可见分光光度计等测试,结果表明:当增大N2流量时,薄膜晶相由Mo相向Mo2N相逐渐发生改变,且薄膜的反射率也发生变化,而后利用MoN_(x)薄膜作为抑制Fe等杂质向CIGS薄膜扩散的阻挡层;XRD、SEM结果表明,MoN_(x)薄膜的引入不会影响Mo薄膜、CIGS薄膜晶体结构和形貌;此外,二次离子质谱(SIMS)表明,MoN_(x)阻挡层显著降低了CIGS薄膜中Fe的浓度,最终,将柔性CIGS太阳电池的光电转换效率由10%提升至12.5%。

磁控溅射制备碳化硼薄膜的结构与成分分析

近年来国际上^(3)He资源的短缺造成了基于^(3)He的中子探测器高昂的成本,而以碳化硼薄膜作为中子转换层的硼基中子探测器逐渐成为了最有前景的替代方案。通过直流磁控溅射制备了Ti/B_(4)C多层膜,并使用透射电子显微镜(TEM)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对薄膜的结构与成分进行表征。结果表明:Ti层存在结晶情况;H、O、N元素为薄膜内部的主要杂质,且多分布于Ti层与B_(4)C-on-Ti过渡层中;更高的本底真空度能够降低碳化硼薄膜内的杂质含量,提高B含量占比;中子探测效率测试结果证明本底真空度的提高能够有效提高碳化硼中子转换层的效率。

X光弯晶成像金属薄膜面密度测量技术

针对靶用高Z金属薄膜的无损检测需求,提出了一种通过超环面弯晶聚焦型X光单能成像器件,实现金属薄膜均匀性及面密度等参数精确标定的测量技术。该技术即通过高通量、高单能性成像,定量获取薄膜X光透过率及其空间分布,有效提升了面密度测量的精度,同时实现了对其均匀性的高空间分辨评估。从总体方案设计、元器件制备和测试实验等方面开展了深入研究,并评估了各种可能因素对测量不确定度的影响。所发展的超环面弯晶成像系统针对20 keV级的高能X射线在mm尺度内实现了优于5μm的微区分辨,能谱分辨达到几eV。通过泡沫金样品面密度测量实验证明了技术可行性,相对不确定度优于2%。研究结果为激光惯性约束聚变高Z靶材料的精密无损检测提供了一种新的测量技术,并有望应用于其他需要大视场、高空谱分辨成像的需求领域。

Si含量对(TiAlCrZrNb)-Si_(X)-N高熵薄膜微观结构、力学性能和断裂韧性的影响

为了得到力学性能和断裂韧性都更为优异的薄膜,采用磁控溅射技术,在Si衬底上沉积了不同Si含量的(TiAlCrZrNb)-Si_(x)-N(x=0,4%,8%,12%,16%)高熵陶瓷纳米复合膜。采用X射线衍射仪、扫描电镜、高分辨率透射电镜和纳米压痕仪研究了Si元素的加入对所制薄膜微观结构、力学性能和断裂韧性的影响。结果表明,随着Si元素的掺入,薄膜的力学性能和断裂韧性都先升高后降低,这种趋势归因于形成的纳米复合结构。当Si含量为4%(体积比)时,(TiAlCrZrNb)-Si_(x)-N薄膜具有最好的综合力学性能,其最大硬度和弹性模量分别为22.7 GPa和192.0 GPa,此时断裂韧性也达到最好,径向裂纹长度C为6.760μm,K_(IC)为1.77 MPa·m^(1/2)。

SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔中Ti超导薄膜特性的研究

设计良好的光学谐振腔是提高超导转变边沿传感器(TES)光学效率的有效手段,光学谐振腔结构厚度的变化,不仅对TES的光学效率有影响,而且会产生不同的残余应力进而影响TES的超导特性。研究了以超导Ti膜为TES功能层材料,同时选用SiO_(2)-SiN_(x)体系作为光学谐振腔薄膜。通过对数值仿真,确定了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔薄膜厚度变化对Ti-TES光学吸收效率的影响。分析了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔不同薄膜厚度的变化自身应力随之变化的趋势,最后制备了不同厚度SiO_(2)-SiN_(x)光学谐振腔的TES,并进行光学吸收效率的测试,验证了SiO_(2)-SiN_(x)体系光学谐振腔薄膜厚度对Ti-TES光学吸收效率变化的规律。

远程靶基距Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结薄膜溅射制备技术研究

高质量Nb/Al-AlO x/Nb三层膜制备是基于超导-绝缘-超导型(SIS)约瑟夫森结的量子电压标准芯片和超导量子干涉器件的关键工艺。针对远程靶基距直流磁控溅射工艺条件,研究溅射气氛和溅射功率对Nb、Nb/Al薄膜结构、形貌和电学性质的影响。Ar气流量20 mL/min,0.53 Pa,600 W制备的Nb膜的应力接近零压力,粗糙度仅为1.05 nm,超导转变温度9.2 K,剩余电阻比达到5.33。0.53 Pa,450 W制备的150 nm Nb上10 nm Al膜粗糙度仅为1.51 nm,完全覆盖底层Nb膜。以此条件制备的Nb/Al-AlO x/Nb SIS结能隙电压达到2.6 mV,表明远程溅射可以实现SIS结工艺所需高质量三层膜。

Nb/Al-AlO_(x)/Nb约瑟夫森结薄膜沉积研究

Nb/Al-AlO x/Nb约瑟夫森结构成的低温超导器件有着广泛应用,高质量的S-I-S约瑟夫森结制备的关键之一在于制备高质量的三层膜。三层膜的质量可由许多属性参数影响,比如剩余电阻比R.R.R、超导转变温度T c、表面粗糙度、应力、铝膜厚度等等。通过对薄膜的溅射沉积条件与上述参数进行分析研究,确定最佳的生长条件。调节不同的氧化工艺条件,可以获得约瑟夫森结的不同临界电流密度。

X80管线钢表面掺氟类金刚石薄膜在完井液中的腐蚀行为研究

采用等离子体增强化学气相沉积技术在X80管线钢表面制备掺氟类金刚石薄膜,使用原子力显微镜对薄膜表面三维形貌进行表征。通过划痕实验和摩擦磨损实验对薄膜的机械性能进行表征,利用电化学阻抗谱与动电位极化曲线对薄膜在完井液环境下的腐蚀行为进行分析。结果表明:随着掺氟量的增加,薄膜表面粗糙度增大,薄膜与基体的结合强度提高,耐磨性能降低。薄膜的耐蚀性能随着掺氟量的增加表现出先增大后减小的变化规律。

零维金属卤化物(C_(24)H_(2)0P)CuI_(2)的发光性能及X射线成像

闪烁体发光材料广泛地应用于医疗诊断、工业安全和无损检测领域,铜基(Cu(Ⅰ))金属卤化物作为新一代高性能闪烁体发光材料受到了研究者的广泛关注。本文采用简单的反溶剂法制备了一种新型铜基闪烁体材料(C_(24)H_(2)0P)CuI_(2)(C_(24)H_(20)P=四苯基膦)。(C_(24)H_(2)0P)CuI_(2)在414 nm蓝光激发下显示出黄色宽带发光,与典型硅基光敏传感器的最佳光谱响应范围一致,同时具有45.84%的高光致发光量子产率(Photoluminescence quantum yield,PLQY)和148 nm的大斯托克斯位移。高PLQY和可忽略不计的自吸收使(C_(24)H_(2)0P)CuI_(2)在X射线激发下表现出极佳的闪烁性能,光产额为~21000 photons/MeV,检测限低至0.869μGy/s,远低于射线测试标准5.5μGy/s。此外,(C_(24)H_(2)0P)CuI_(2)表现出极佳的热稳定性,可耐415℃的高温。由于(C_(24)H_(2)0P)CuI_(2)优异的发光性能,可以通过将其与聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)混合制备基于(C_(24)H_(2)0P)CuI_(2)的柔性薄膜用于X射线成像,在射线探测与成像方面具有巨大的潜力。这项工作凸显了杂化铜基碘化物可作为非常理想的X射线闪烁体,具有无毒、成本低、光产率高和热稳定性良好的多重优点,为高性能X射线成像提供了新的可能。

氮含量对(BCSiAlCr)N_(x)薄膜结构和耐腐蚀性能的影响

采用直流磁控溅射技术在Si(100)晶片和304不锈钢上沉积了(BCSiAlCr)N_(x)薄膜。采用XRD、XPS、TEM和SEM分别分析了薄膜的成分、晶体结构和形貌。利用电化学工作站测试了薄膜的耐腐蚀性能,包括动电位极化试验、恒电位极化试验以及阻抗试验。结果表明,在3.5%NaCl溶液中HE3薄膜样品具有最低的腐蚀电流密度(I_(corr))0.0311μA/cm^(2)和最高的腐蚀电位-37.557 mV;在0.5 mol/L硫酸溶液耐腐蚀试验中,HE3薄膜样品同样具有最低的腐蚀电流密度和最高的腐蚀电位,表现出最优异的耐腐蚀性能。随着薄膜中氮含量的增多,薄膜非晶程度增加,致密性提高,表面缺陷及孔洞消失,耐腐蚀性能改善。研究结果证明,(BCSiAlCr)N_(x)薄膜在腐蚀防护方面具有潜在的应用前景。

X射线自由电子激光与金属钌相互作用双温模型的数值分析

金属钌(Ru)具有优异的力学性能和化学稳定性,同时具有高反射率、较大临界角等优异性能,是自由电子激光装置中光学元件的候选镀层材料之一。本文对X射线自由电子激光(X-ray Free-electron Lasers,XFEL)脉冲与金属钌薄膜相互作用过程进行了模拟,采用数值方法求解双温模型(Two-temperature Model,TTM),得到了电子和晶格温度随时间的演化规律。获得激光的脉冲宽度、能量密度、穿透深度、材料的电声子耦合系数等对激光与金属钌相互作用过程中热效应的影响规律。通过对X射线自由电子激光脉冲与金属相互作用过程的双温模型数值解,可以获得材料中电子和晶格温度随时间的演化规律,并探究光源的参数对其热传输过程的影响。研究发现,金属钌晶格平衡温度与能量密度呈正相关;金属钌电子最高温度随脉冲宽度的增加而降低;金属钌的晶格平衡温度随穿透深度的减小而增加,最终趋于稳定;电子-声子平衡时间与电声子耦合系数呈负相关。本文获得X射线自由电子激光脉冲与金属钌相互作用的相关数据及基本演化规律,有助于进一步理解金属钌在激光辐照作用下材料的热效应演化机制,为自由电子激光装置光学元件薄膜材料的选取及辐照性能分析提供理论依据。

拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜制备及其电输运性能研究

文章利用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)法,在超高真空的条件下,于蓝宝石衬底上制备超薄的高质量拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用反射高能电子衍射(reflection high-energy electron diffraction, RHEED)仪、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)仪、显微共焦激光拉曼光谱仪(micro confocal laser Raman spectrometer)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)仪对不同Sb掺杂量的样品进行表征,并获得最佳的制备参数。研究结果表明:衬底温度为460℃时Bi和Te的流量比为1∶16左右;在Sb温度为350、360、370、380℃时,可以制得高质量的(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用霍尔效应测量系统测量样品的电阻率、霍尔系数、迁移率和载流子浓度;测量结果表明,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜的载流子浓度和主要载流子类型随x的变化而发生相应的变化,并伴随着费米能级位置的调谐,随着x的增加,在x=0.53到x=0.68的掺杂过程中,费米能级从导带下移到带隙,最终进入价带,多数载流子类型也从自由电子转变成空穴,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)实现了从n型到p型的转化。

基于X-LiNbO_(3)/SiO_(2)/Si低温漂、大机电耦合SH-SAW谐振器的设计

铌酸锂(LN)单晶薄膜具有较高的机电耦合系数(k_(eff)^(2)>30%),其水平剪切(SH)声学模式常被应用于开发具有大机电耦合系数的薄膜声学谐振器和超宽带滤波器。但LN的频率温度系数较大(TCF>-50×10^(-6)/℃),这不仅会降低滤波器的可用有效带宽,同时也会限制器件的功率处理能力。采用3D周期有限元模型对基于X切LN/SiO2/Si结构SH声表面波(SH-SAW)谐振器进行了优化研究。研究结果表明,当SH-SAW传播角ψ=-10°~-20°、LN和SiO2膜厚分别为hLN=0.1λ和hSiO_(2)=0.2λ(λ为叉指换能器周期)、铝电极金属化率η=0.4、电极相对厚度hAl/λ=5%~10%时,SH-SAW谐振器的k_(eff)^(2)约为30%,且其TCF<-20×10^(-6)/℃,有望用于开发新一代的低温漂、超宽带5G SAW滤波器。

溶液法原位大面积制备钙钛矿光电薄膜成膜的同步辐射可视化结晶过程研究

溶液法是新型光电器件制备的重要手段,然而以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成,传统的实验表征大多在空气环境下进行,这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联,因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究.为了实现溶液法成膜中的结构与形貌的同步辐射掠入射广角散射实时观测,本文结合上海同步辐射光源线站布局,报道了一种基于手套箱的原位成膜观测装置,可实现标准手套箱环境(c(H_(2)O,O_(2))<1×10^(-6))下远程控制薄膜旋涂、涂布及样品后处理,并实时可视化监测微结构和形貌演变.基于该装置进行的钙钛矿薄膜狭缝涂布大面积成膜结晶过程的原位GIWAXS/GISAXS(gtrazing incidence wide and small angle X-ray scattering)可视化测试揭示了薄膜微结构转变的内在驱动力:钙钛矿薄膜沉积界面层的优化对提升钙钛矿成核速率、诱导结晶择优取向、形成晶粒有序堆叠等具有“共性作用”,同时在成膜过程中的新生中间相显著提升软晶格薄膜质量和稳定性.基于各层均采用卷对卷全溶液狭缝涂布方法制备的大面积全柔性三维钙钛矿薄膜太阳能电池转换效率提升至5.23%(单个器件面积约15 cm^(2)),为迄今报道的这一体系该尺寸的全溶液狭缝涂布柔性钙钛矿器件的最高器件效率之一.因而,基于该同步辐射原位GIWAXS/S/GISAXS装置可以获得控制薄膜生长界面特性和薄膜品质的关键工艺,指导优化制备薄膜的最佳工艺条件.

基于磁控溅射和电子束蒸发合成Mn-Co-Ni-O薄膜

锰钴镍氧(Mn-Co-Ni-O,MCNO)薄膜因为具有优异的负温度系数特性在近年来受到广泛关注,现采用射频磁控溅射和电子束蒸发相结合的方式,在单抛蓝宝石(Al2O3)衬底上制备MCNO薄膜,并采用一系列表征探讨了后道退火(Post Annealing,PA)温度对所制薄膜的微观结构和光学性质的影响。结果表明,随着PA温度的提高,MCNO膜的晶粒尺寸和间隔均呈现增大趋势。X射线光电子能谱结果表明,Mn3+/Mn4+的比例随着温度的升高而增大。电学和光学特性研究表明,在PA温度为850℃,条件为空气退火1 h得到的MCNO薄膜在温度范围为220~300 K范围内符合VRH模型,TCR系数良好,激活能为0.32 eV,薄膜在红外可见波段具有较高吸收率。

Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)薄膜的分子束外延生长及其光学和电子输运性能表征

本文采用分子束外延技术,通过对金属分子束的精确控制,在MgO(002)基底上成功生长了Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)合金薄膜.高分辨率单晶X光衍射仪表征结果表明Ga_(x)N_(2)∶Zn_(3-x)合金薄膜仍是以(400)Zn_(3)N_(2)为主导的复合晶体结构,对衍射数据的分析得到该薄膜晶粒尺寸小.用扫描电子显微镜和能谱射线分析仪对其表面和成分做了深入的分析和讨论,在固定的金属流量比的生长环境下,不同厚度的样品在成膜后x均为0.65,化学通式Zn_(2.35)Ga_(0.65)N_(2).该结果表明Ga元素属于重度掺杂,同时也体现了分子束外延技术在共掺杂技术中的优越性.本文也测量并讨论了Zn_(2.35)Ga_(0.65)N_(2)薄膜的光学性能,实验得到的1.85 eV的光学带隙与理论推算基本吻合,说明Ga的掺入有Ga-N结构的形成.同时也说明,Ga元素的掺入,实现了对Zn_(3)N_(2)薄膜的光学带隙的调控.最后对该薄膜的电子输运性能进行表征,测量结果表明其为p型半导体薄膜.本文的实验技术和结果也为今后对Zn类化合物半导体的研究奠定了基础.