核心概念
本研究探討了在不同沉積條件下製備的氮化鈦 (TiN) 薄膜和氮氧化氧氮化物 (TiNO) 薄膜的電漿和光學特性,發現氧含量和結晶度對這些特性有顯著影響,並可應用於電漿設備。
摘要
研究背景
- 光與物質之間的非線性光學過程應用於光催化、光伏、電漿學和分子識別等領域。
- 電漿學突破了傳統光學的繞射極限,實現了電磁輻射的極大集中和增強。
- 電漿材料的性能提升促進了奈米級器件尺寸和太赫茲工作頻寬的發展。
- 貴金屬(如金、銀)常用於電漿應用,但其機械柔軟性和低熔點限制了其在惡劣工作條件下的應用。
- 耐火金屬雖然具有良好的機械性能,但在可見光範圍內缺乏電漿特性,且在近紅外區域表現出較差的共振。
- 過渡金屬氮化物 (TMN) 及其氮氧化物,特別是氮化鈦 (TiN) 和氮氧化鈦 (TiNO),由於其獨特的特性,成為電漿應用的潛力材料。
研究目的
本研究旨在探討薄膜結晶度和氧含量對 TiN 和 TiNO 薄膜光學和電漿特性的影響。
研究方法
- 使用脈衝雷射沉積 (PLD) 技術在 c 面單晶藍寶石基板上沉積 TiN 和 TiNO 薄膜。
- 通過控制基板溫度、氧氣壓力、雷射能量密度和雷射脈衝重複率來製備薄膜。
- 使用各種技術對薄膜進行表徵,包括原子力顯微鏡 (AFM)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、能量色散 X 射線光譜 (EDS)、X 射線繞射儀 (XRD)、X 射線光電子能譜 (XPS)、軟 X 射線吸收光譜 (XAS)、拉曼光譜和非盧瑟福背散射光譜 (NRBS)。
- 使用 Kramers-Kronig 轉換和 Lorentz-Drude 模型分析光學數據。
- 進行基於密度泛函理論 (DFT) 的從頭算計算以支持實驗結果。
研究結果
- XRD 和 XPS 分析證實了 TiN 和 TiNO 薄膜的形成,並揭示了氧含量和結晶度對薄膜特性的影響。
- 光學測量表明,TiN 薄膜具有金屬特性,在低激發能量下具有高反射率,並在 22,000 cm-1 至 25,000 cm-1 之間具有明確的帶邊。
- 隨著氧含量的增加,薄膜的電導率降低,電漿邊緣向低能量移動。
- 拉曼光譜分析證實了 Ti-N-O 鍵的存在,並揭示了薄膜中聲子和光學聲子的振動模式。
- 從頭算計算支持了實驗觀察結果,並提供了對 TiNO 電子結構和聲子特性的深入了解。
研究結論
- 氧含量和結晶度顯著影響 TiN 和 TiNO 薄膜的電漿和光學特性。
- 通過控制氧含量和結晶度,可以調整這些材料的電漿性能,使其適用於特定應用。
- 這項研究為設計和合成用於電漿設備的新型耐火金屬氮化物和氮氧化物材料提供了寶貴的見解。
統計資料
TiN 薄膜在 700°C 真空條件下沉積的樣品具有最高的低頻反射率 R(ω→0)。
TiN 薄膜在 700°C、5 mTorr 氧氣壓力下生長的樣品在 (111) 峰的 Omega 搖擺曲線 (ORC) 的半峰全寬 (FWHM) 為 0.716°。
TiN 薄膜在 700°C 真空條件下生長的樣品的搖擺曲線 FWHM 為 0.154°。
TiN 薄膜在 600°C 真空條件下生長的樣品的搖擺曲線 FWHM 為 0.364°。
藍寶石 (0001) 峰的搖擺曲線 FWHM 為 0.030°。
700°C 真空條件下沉積的 TiN 薄膜的晶格常數為 4.235 Å。
600°C 真空條件下沉積的 TiN 薄膜的晶格常數為 4.189 Å。
700°C、5 mTorr 氧氣壓力下沉積的 TiN 薄膜的晶格常數為 4.206 Å。
O2- 的離子半徑為 1.42 Å。
N3- 的離子半徑為 1.71 Å。
引述
"The present work reports the plasmonic properties of titanium nitride (TiN) and titanium oxynitride (TiNO) [41, 42]."
"TiN is well known to possess free electron gas density similar to that of Au or Ag and is the embodiment of refractory metals’ characteristics[43, 44]."
"The availability of free electrons in TiN is brought about by the electronic configurations of ions involved and the bonding between them [45]."