立方氮化硼薄膜的制备与表征

指导教师：乐永康
实验室：光学楼424室

高真空磁控溅射镀膜机
傅里叶变换红外光谱仪
扫描电子显微镜
其他相关设备和仪器

薄膜物理/技术在基础研究和应用研究两方面都有很重要的意义，因为：1）各种材料的薄膜（两维体系）往往都表现出与其体材料（三维体系）不同的性质；2）实际中的很多应用（如光学薄膜、各种保护膜等）往往只对材料表面的性质有要求（通过镀膜即可实现）。薄膜物理/技术的研究对象是薄膜、衬底和它们之间的界面，主要内容包括能满足特定需要的镀膜设备的构建、镀膜过程的控制和薄膜性能的表征等。

立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的超硬材料，因其特殊的物理化学性能，有非常广泛的应用前景。近年来，人们对立方氮化硼薄膜进行了大量的深入研究，也取得了不少可喜的进展；但由于薄膜的稳定性等原因，人们期盼的大面积的应用仍未实现。

由于立方氮化硼薄膜生长对实验参数有很严格的要求，薄膜的表征又需要有若干相关的表面分析的基础知识，本实验旨在让学生通过实验准备及随后的实际操作过程中可以深入地了解和掌握下列相关知识和技术：高真空技术，等离子体物理，薄膜制备与监控，离子与固体表面的相互作用和表面分析等，从而拓展自己的知识面，培养对有关工作兴趣，并为将来的研究工作打下较好的基础。

请看：“立方氮化硼薄膜的制备与表征”实验讲义

要求学生先阅读有关的文献资料，了解实验背景（需进行预习汇报），然后在老师的指导下，熟悉实验设备，完成基本的实验内容，目的是能独立制备立方氮化硼薄膜并完成对薄膜的必要表征（内容1-3为基本要求，其余为选做内容），在此基础上欢迎学生能自己选题进行一些探索性实验：

查阅文献，了解用不同的实验设备/方法制备立方氮化硼薄膜的实验条件必须满足哪些要求？射频磁控溅射制备cBN薄膜时，这些实验条件是如何实现的？
了解和熟悉实验用射频磁控溅射镀膜仪的操作方法，在老师的指导下，进行薄膜生长实验，掌握本实验中样品制备的基本方法；
了解和熟悉傅立叶变换红外光谱仪（FTIR，德国Brucke公司的Tensor 27型）的基本操作方法，在老师的指导下，进行氮化硼薄膜的测量实验，掌握测量的基本方法及有关的数据处理方法，熟悉常用科学数据处理软件“Origin”的基本使用方法；
了解和熟悉原子力显微镜（AFM，瑞士NanoSurf公司的EasyScan AFM型）的基本操作方法，在老师的指导下，进行样品表面形貌的测量实验，掌握测量的基本方法及有关的数据处理方法；
了解和熟悉样品的组分分析/测定方法，查阅现有文献中关于实验条件，特别是长膜时工作气体的成分对薄膜组分影响的报道；
选择合适的基片温度（如200~500C）和偏压（如-100~-200V），研究在不同工作气体组份条件下制备的薄膜的晶体结构，确定工作气体组份（或更进一步，薄膜的化学组份）对立方结构生长的影响；提示：薄膜的化学组份与工作气体之间的关系可以借文献报道的结果来推测，也可以委托他人做组分分析来确定。
类似于6中的实验内容，分别固定其他的实验条件，以研究基片温度、基片偏压对立方结构生长的影响；
在6和7的实验结果的基础上（如果需要，再适当补充部分实验），进而综合讨论各个实验参数对立方结构氮化硼生长的影响，并和文献报道的结果进行比较；
测量薄膜应力的方法有哪些？它们各有什么优缺点？适用的范围是什么？请结合实际的测量例子（由自己设计实验），进行比较深入、系统的讨论。
测量薄膜与基片的黏附性能的方法有哪些？它们各有什么优缺点？适用的范围是什么？请结合实际的测量例子（由自己设计实验），进行比较深入、系统的讨论。
造成立方氮化硼薄膜容易从基片上剥落的因素有哪些？这些因素相互之间有无联系？分别是如何起作用的？如要防止/避免薄膜从基片上剥落，可以采取哪些措施？请结合实际的研究结果（由自己设计实验），进行比较深入、系统的讨论。