立方氮化硼(C-BN)薄膜的红外光谱.DOC

立方氮化硼(C-BN)薄膜的红外光谱 赵永年 吉林大学超硬材料国家重点实验室 长春 130012 C-BN像金刚石一样是聚许多优异性能於一身的多功能材料，它的硬度、热导率仅次於金刚石；而化学稳定性和抗高温氧化性却优於金刚石，尤其是它不像金刚石那样与铁元素有亲合性，是加工含铁元素材料的最硬工具材料；它在很宽的光谱范目内有很高的光透过率；它还是即能ｎ型掺杂又组Ｐ型掺杂的宽禁带半导体材料；由於它有负表面亲合势，所以是电子场发射材料。C-BN的生长条件十分苛刻，至合在在自然界还没有找到它。高温高压条件下合成的C-BN颗粒粒度小硬度高又不易改变形状，因此应用受到限制。人们把广泛应用的希望寄於薄膜。 一、C-BN和h-BN的表征 C-BN薄膜的沉积过程中经常有另一种构象的h-BN同时出现，红外光谱是区别两者的最好的工具，如图所示1380cm-1和780cm-1两个红外吸收峰分别是h-BN的拉伸振动模和N-B-N的变形振动模，而1085cm-1附近的吸收峰是C-BN的特征吸收峰，由此我们可以在沉积的薄膜中区指认h-BN和C-BN。 图1 h-BN的红外光谱 图2 C-BN的红外光谱 图3 BN薄膜的红外光谱 图3中上面吸收峰表明薄膜中只有C-BN，而下边的谱表明薄膜只两构象混合即有C-BN也有h-BN。 二.C-BN的制备 图4 用磁控溅射方法在不同基板负偏压情况下制备的ＢＮ薄膜的红外光谱 图4中可以看到在不同的基板条件下制备的薄膜中h-BN和C-BN的含量有变化。负偏压在-100伏以下薄膜是纯六角相，在-160伏时薄膜是h-BN和C-BN的混合相，当负偏压达到-220伏时薄膜是纯立方相。当负偏压达到-260伏时由於离子能量过大，反溅射结果造成薄膜减薄，最后无法生长。 图5 BN薄膜生长的相图 图5是一张相图，图中园点表明纯六角相，三角表明混合相，方框代表纯立方相，由此可以看到C-BN生长区很少，也就是它的生长条件是十分苛刻的。 三.C-BN薄膜的内应力 C-BN薄膜制备中遇到的最大问题薄膜的内应力，由于内应力的存在，薄膜非常容易爆裂，多则几天少则几分钟就可能爆裂，而且C-BN的含量越高薄膜越易爆裂。 图6 C-BN吸收峰位随负偏压大小改变 图7 薄膜内部应力大於表面应力 ，从制备的薄膜中测量到的C-BN特征峰位一般在1075cm-1到1100cm-1的范围内，内应力越大峰位越高，也越易爆裂，负偏压越大C-BN含量越高内应力越大。图7中两个光谱分别是透射光谱和反射光谱，TIR表示透射光谱，它表明薄膜是混合相，C-BN吸收峰位是1078cm-1。RiR表示反射吸收光谱它表明薄膜表面是纯立方相，特征吸收峰位是1033cm-1，两者比较说明薄膜表面应力小於薄膜内部应力。 图8 无支撑薄膜的内应力 图8是一个薄膜碎片即无支撑薄膜的红外透射吸收和反射吸收光谱，透射吸收峰在1065cm-1，而反射吸收峰位在1004.7cm-1，后者是迄今为止测量到的最低峰位，它和理论计算值1004cm-1十分接近，这说明1004.7cm-1是接近无应力的C-BN的特征吸收峰位。 四.低应力C-BN薄膜的制备 图9正偏压制备的BN薄膜的红外光谱 图10 对应的X-光衍射图 图9和图10是用正偏压制备的BN薄膜的红光谱和透射电镜的X-光衍射图。从图9可看薄膜是一个由C-BN、h-BN、e-BN和W-BN组成的混合相，图10是从本底背面减薄测到的薄膜表面的X-光衍射图，衍射图表明薄膜表层是纯的立方相，混合相的其他组分处在薄膜表面和基底之间。这一薄膜中C-BN特征吸收峰位在1006.3cm-1，与无应力状态比较接近。 图11 用束射RF方法制备的C-BN薄膜的红外光谱 图`11是用束射RF方法制备的C-BN薄膜的红外光谱。图中C-BN特征吸收的峰位在1008cm-1，峰位很低，与无应力状态只差4cm-1，薄膜的应力很小。 五.结论 红外光谱对C-BN薄膜制备表征等研究十分有用，尤其对低应力的研究也很有用。 1008cm-1 C-BN