《氮化鉿膜作為新型紅外增透保護膜材料的研究》是依託吉林大學，由胡超權擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：氮化鉿膜作為新型紅外增透保護膜材料的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：胡超權
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
現代軍事和空間技術的發展導致人們對紅外增透保護膜的研究興趣日益提高，而尋找到理想的材料是研製紅外增透保護膜的起點，也是難點所在。通過文獻分析和初步實驗驗證，我們發現氮化鉿（HfNx）膜是一種非常有發展前景的紅外增透保護膜材料，它最大的優點在於可見光紅外寬波段透明且硬度較高。在此發現基礎上，本項目將採用磁控濺射和過濾陰極真空電弧兩種方法分別製備HfNx膜，通過比較分析實驗結果給出最佳的製備方法和工藝條件，最終獲得綜合性能優異的HfNx膜。同時採用實驗與理論計算相結合的方法，給出N含量對HfNx膜結構與性質的影響規律及微觀機制，詮釋實驗中發現的新現象，為進一步提高HfNx膜的光學與力學性質提供理論指導。此外，本項目還將嘗試通過製備多層膜系的方法改善HfNx膜的增透效果，力圖研發出具有套用可行性的新型紅外增透保護膜系。
結題摘要
本項目研究工作嚴格按照計畫要點展開，利用理論計算與實驗相結合的方法，系統地研究了氮化鉿（HfNx）膜的生長機制、結構和物性並開展了其作為紅外增透保護膜的設計製備。此外，還進行了GeCx及GeCxNy膜的製備與結構性能研究。截止目前，已在J. Phys. Chem. C，Acta Mater.，Appl. Phys. Lett.等國際知名期刊上發表SCI收錄論文12篇；申請和授權國家發明專利2項；培養碩士研究生5名。項目研究的主要發現點是： （1）首次發現濺射法製備的HfN膜在生長初期，中期和後期具有明顯不同的表面演變行為，這起源於與表面光滑效應與表面粗化效應的競爭。 （2）岩鹽結構HfNx膜在x<1時的主要點缺陷是N空位，而在x>1時的主要點缺陷是Hf空位，這歸因於它們比其它點缺陷的形成能更低。 （3）成功地辨認了HfNx膜的“富氮相”具有立方Th3P4結構，岩鹽到立方Th3P4結構的相變先後經歷了三個階段的演變，演變驅動力是形成能的降低。 （4）首次發現岩鹽結構HfNx膜的反射特性能被x有效地調控，這歸因於膜中N空位向Hf空位的轉化，導致了膜的自由電子密度，電子自由程和束縛電子的帶間躍遷吸收出現了規律性變化。 （5）首次發現氮化鉿膜的金屬-半導體轉變經歷了兩個不同物理起源的階段，第一階段的轉變來源與Hf空位的形成以及它對部分自由電子的局域作用；第二階段歸因於岩鹽到c-Hf3N4結構的相變，這導致Hf5d電子完全被局域化。 （6）首次發現半導體合金膜的Urbach尾寬度的變化不僅與過去普遍認為的結構無序度有關，還與介電係數有關。類氫原子模型證明了Urbach尾寬度與介電係數平方的倒數成正比，這與GeCx、a-SiNx和a-SiCx的實驗結果很好地吻合。 （7）氮增加有利於提高GeCxNy膜的硬度和光學帶隙，這歸因於膜中的Ge-C鍵被更強的Ge-N鍵所取代，但過高濃度Ge-N鍵的形成會降低薄膜在長波紅外區域的光學透過率，因此適中的氮含量最有利於GeCxNy膜作為紅外增透保護膜的套用。 （8）首次發現具有半導體特性的氮化鉿膜呈現可見光-紅外透明，帶隙和折射率易於調控的特性，並對典型紅外視窗材料Ge具有增透功能，這結合它固有的耐磨損、耐腐蝕以及耐高溫氧化的性能，表明它是一種新型的紅外增透保護膜。此外還發現ZnS上設計的雙層膜系能夠獲得理想的增透效果。
