1、本工作主要分為兩部分：第一部分研究Co：BaTiO<,3>納米復合薄膜的制備及性質；第二部分研究C<,x>H<,1-x>薄膜的制備及性質。 最近若干年，以鐵電體為基體的納米復合材料引起了研究者的興趣，盡管相關的文獻報道很少，但在這少數(shù)的實驗研究中，在鐵電體—金屬納米復合材料中發(fā)現(xiàn)了一些新的有趣的現(xiàn)象，如超高介電常數(shù)，基體介電常數(shù)對金屬微粒的吸收光譜的調制作用以及金屬微粒對鐵電薄膜二次諧波產(chǎn)生的增強作用等。值得一提的是，由于鐵電體

2、—量子點復合薄膜提供了一種通過外場有效激發(fā)量子點的機制，因此可以產(chǎn)生許多新的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生某種新型的量子點器件。 本論文的第一部分系統(tǒng)地論述了脈沖激光氣相沉積的原理和BaTiO<,3>薄膜的制備方法；研究了BaTiO<,3>薄膜及其金屬納米復合薄膜的結構特性、生長特性和生長機理；詳細分析了BaTiO<,3>薄膜及其金屬納米復合薄膜的光學性質。這部分的主要研究內容可分為以下幾個方面： 1．系統(tǒng)地論述了脈沖激光氣相沉積薄膜技

3、術(PLD-pulse laser deposition)的原理、特點和這一研究領域的研究現(xiàn)狀，著重介紹了脈沖激光沉積薄膜技術的研究動態(tài)和進展情況。與其他方法相比，PLD技術的優(yōu)點如下： (1)用PLD方法制備薄膜的組分與靶材料的組分一致，這使得它有利于制備多組元體系薄膜。 (2)沉積速率可以控制，小到可以原子層尺度逐漸生長。 (3)制備周期短、效率高、為器件化制備提供了可能性。 (4)可原位生長，這為多

4、層結構，包括量子點超晶格的制備提供了有利條件。 因此，PLD方法完全適合于我們將進行的復雜氧化物金屬納米復合薄膜的制備。 2.理論和實驗研究表明，在單晶MgO(100)面上生長的Co：BaTiO<,3>納米復合薄膜中的BaTiO<,3>臨界厚度大于或等于10nm，BaTiO<,3>基質呈四方相，a≈0.424nm，c≈0.407nm，薄膜是單一的取向。嵌埋于薄膜中的Co顆粒平均粒徑為15nm，呈單質金屬態(tài)。HRTEM(高

5、分辨電子透鏡)和XRD(X-ray Diffraction)分析表明，Co納米顆粒中既存在hcp(六方密堆積)結構相，又存在fcc結構相。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是源于這兩種相的Gibbs自由能相差較小。 在Si襯底上制備的Co：BaTiO<,3>納米復合薄膜呈現(xiàn)出與Co：BaTiO<,3>/Mg(100)納米復合薄膜完全不同的結構特性。首先，當薄膜厚度較薄(≤30nm)時，BaTiO<,3>基質呈單一c軸取向。HRTEM、XRD

6、和.AFM(Atom Force Microscope)分析表明：由于晶格失匹較大的原因，使得BaTiO<,3>晶粒盡管呈c軸取向，但在平行于襯底的平面內是取向無序的。當薄膜厚度增大到約100nm時，由于應力馳豫而使得BaTiO<,3>晶格轉變?yōu)榻⒎浇Y構，a/c比值在1.0021～1.0083之間變化，晶體取向性也隨著Co顆粒濃度的增加而降低。在Co：BaTiO<,3>/Si(100)薄膜中Co顆粒的粒徑呈Lorentz分布，平均粒徑

7、在15-30nm之間變化。 本工作的研究表明，不論是在MgO(100)單晶襯底上還是Si(100)單晶襯底上，均可生長單一取向(或擇優(yōu)取向)的Co：BaTiO<,3>納米復合薄膜，Co顆粒呈單質金屬態(tài)，顆粒的粒徑可控。 3.本論文從三個方面研究討論了BaTiO<,3>納米復合薄膜的光學性質： (1)光吸收譜及反射光譜通過吸收光譜和反射光譜的研究，本工作初步估算了BaTiO<,3>納米復合薄膜的光學帶隙Eg在3.5

8、～4.0eV之間，通過吸收譜詳細分析了BaTiO<,3>/Mg(100)納米復合薄膜的帶內電子躍遷，并與理論預期基本一致，對高能區(qū)的吸收譜和反射譜的詳細研究發(fā)現(xiàn)，Co：BaliO<,3>/Mg(100)和Co：BaTiO<,3>/Si(100)納米復合薄膜導帶和價帶的精細結構在Co顆粒的嵌入前后均發(fā)生明顯的變化。聯(lián)合態(tài)密度的臨界點的位置和拓撲性質隨Co納米顆粒濃度的變化而發(fā)生明顯變化。 Co：BaTiO<,3>/Si(100)的反射譜還

9、顯示了Co納米顆粒表面等離激元的作用和變化，這種變化目前還未找到文獻報道。 (2)Co：BaTiO<,3>/Mg(100)納米復合薄膜的光致發(fā)光譜更進一步反映了導帶.價帶電子躍遷細節(jié)，同時還發(fā)現(xiàn)在1.9～2.2eV之間出現(xiàn)新的光發(fā)射譜峰，目前還未見類似的報道，這種現(xiàn)象可能應用于可調諧的半導體激光器。 (3)Co：BaTiO<,3>/Mg(100)納米復合薄膜的Raman光譜研究表明，在適當?shù)腃o顆粒濃度和尺寸下，Rama

10、n譜峰會得到很大的增強。 4.利用UPS(紫外光譜)譜詳細研究了Co：BaTiO<,3>/Si(100)納米復合薄膜的價帶譜。研究表明，隨著納米Co顆粒濃度的增加，價帶頂?shù)奈恢冒l(fā)生變化，禁帶寬度變小，明確了采用光譜法不能完全確定的問題。同時隨著Co顆粒濃度的增加，價帶的精細結構也發(fā)生了明顯的變化，并出現(xiàn)了新的子帶(Si-7<'＃>和Si-8<'＃>樣品)。這與光譜分析所得出的結論是一致的。 在激光慣性約束聚變(ICF)實

11、驗中，靶丸表面碳氫涂層應用于輻射燒蝕內爆研究，因此C<,x>H<,1-x>薄膜研究對今后開展內爆動力學研究，輻射流體力學研究提供相應的靶型具有重要意義。因此，本工作的另一個研究重點是C<,x>H<,1-x>薄膜的制備及性質研究。 本論文的第二部分系統(tǒng)論述了低壓等離子體化學氣相沉積(LPP-CVD)的原理、研究了C<,x>H<,1-x>薄膜的制備、沉積機理和性質。這部分的主要研究內容可分為以下幾個方面： 1.采用低壓等離子

12、體化學氣相沉積成功地研制出了C<,x>H<,1-x>薄膜，同時發(fā)現(xiàn)所制得的薄膜表面存在大量的懸掛鍵，若不經(jīng)過處理，樣品一旦曝露大氣，則會與空氣中的O<,2>，H<,2>O等發(fā)生互作用，產(chǎn)生一些含氧基團，而樣品經(jīng)過H<'+>原位處理較長時間之后，這些含氧基團明顯減少，使薄膜能穩(wěn)定地保存于空氣之中。C<,x>H<,1-x>薄膜的FT-IR(Fourier Transformation infrared Spectrum)及XPs(X射線光電

13、子譜)譜表明，在樣品中，不僅存在C-C單鍵，同時還存在相當數(shù)量的C=C雙鍵，也就是說存在sp<'3>雜化的碳原子和sp<'2>雜化的碳原子。 2.系統(tǒng)研究了H<,2>流量和H<'+>原位處理C<,x>H<,1-x>薄膜的時間對C<,x>H<,1-x>薄膜的穩(wěn)定時間、表面懸掛鍵密度和表面電子局域化程度的影響，表明C<,x>H<,1-x>薄膜的長時間H<'+>原位處理是減小C<,x>H<,1-x>薄膜表面懸掛鍵密度的有效途徑。

14、 3．為能在微球表面均勻涂覆C<,x>H<,1-x>薄膜，發(fā)明了一種特殊的微球彈跳裝置——反彈盤，使得微球表面C<,x>H<,1-x>薄膜的厚度均勻性好于95％。在此基礎上形成了穩(wěn)定的小批量微球表面CH涂層制備工藝。 4．C<,x>H<,1-x>薄膜的紫外．可見吸收光譜研究表明，C<,x>H<,1-x>薄膜的結構對工藝參數(shù)的變化十分敏感，并沒有什么規(guī)律可言，這正表明了采用CVD方法制備C<,x>H<,1-x>薄膜時，尋找穩(wěn)定可