ZnO薄膜的L-MBE动力学机制

利用自制高纯ZnO陶瓷靶材进行了ZnO薄膜的激光分子束外延(L-MBE)生长, 发现ZnO薄膜的L-MBE生长的沉积速率远低于脉冲激光沉积(PLD)的沉积速率, 并且基于ZnO薄膜生长过程中ZnO靶材与纳秒脉冲激光的刻蚀实验现象, 利用脉冲激光烧蚀ZnO陶瓷靶材的热控制理论对ZnO靶材的低刻蚀速率和ZnO薄膜的低生长速率进行了分析讨论, 对实验结果进行了合理的解释. 分析了等离子体羽辉的形成过程及其动力学特征, 揭示了ZnO薄膜L-MBE生长所具有的独特动力学特性, 即高能等离子体冲击过程中的超饱和超快生长和脉冲间隙的热平衡弛豫的交替过程. 高能沉积粒子和低生长速率对于高结晶质量ZnO薄膜的外延制备是十分有利的.     

FeS2(pyrite)电沉积薄膜及其生长机制

采用电沉积硫化亚铁膜之后再硫化的方法制备了FeS₂薄膜材料. 即先用含铁和硫元素的水溶液在导电玻璃上电化学沉积FeS薄膜, 然后将薄膜在硫气氛中退火制得FeS₂样品. 计算了电沉积FeS薄膜的实验参数, 研究了硫化过程中温度对FeS₂结构的影响及晶粒的生长动力学过程, 计算了晶粒生长的表观活化能、生长速率常数及时间指数, 并对样品的电学性能进行了分析.     

电子束物理气相沉积钇钛合金薄膜的组分和厚度分布

大面积薄膜的组分和厚度分布是实际工艺中最为关心的问题之一. 利用实验和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法, 分别研究了双电子束和三电子束物理气相沉积(EBPVD)中, 钇和钛蒸气原子的三维低密度、非平衡射流, 获得了它们在100和150 mm单晶硅基片表面的沉积厚度和组分的分布. DSMC结果与钇和钛的蒸发速率的石英晶振探头原位测量值, 沉积薄膜厚度分布的台阶仪和Rutherford背散射仪的测量数据, 沉积薄膜组分分布的Rutherford背散射仪和电感耦合等离子体原子发射光谱仪测量值, 均相符甚好. 这表明通过DSMC方法与精细测量相结合, 可在原子水平上实现EBPVD输运工艺的定量预测和设计.     

两步法生长氮化铝中缓冲层和外延层工艺研究

研究了利用有机化学气相沉积外延方法在c面宝石（α-A1203）衬底上两步法外延生长的氮化铝薄膜．缓冲层采用氮化铝成核层．原位反射谱表明氮化铝成核过程有别于氮化镓缓冲层成核，在优化的条件下显示出单一晶面取向．同时，X射线衍射分析表明氮化铝初始成核过程中，缓冲层存在着压应变；随着成核时间的增加及退火，压应变逐渐得到驰豫．结合透射光谱分析发现，在外廷层的生长过程中，较高的的Ⅴ/Ⅲ比能够提高氮化铝薄膜的晶体质量，但是生长速率下降，可能是由于三甲基铝与氨气的寄生反应加剧造成的；另外，对氮化铝外延层进行适度的Si掺杂能够在一定程度上改善薄膜表面形貌．     

反应动力学参数变化对MOVPE生长GaN的反应路径模拟的影响

在金属有机化学气相外延(MOVPE)生长GaN薄膜的反应-输运过程数值模拟中,反应动力学参数(活化能和指前因子)的选取存在很大的不确定性,从而导致不同的气相反应路径和生长速率.本文对前人采用的反应动力学参数的偏差做了归纳总结,讨论了偏差的来源.在此基础上,本文对垂直转盘式MOVPE反应器生长GaN的反应-输运过程进行数值模拟研究.模拟改变不同的反应动力学参数组合,包括加合物的生成和可逆分解的指前因子、加合物不可逆分解生成氨基物的活化能和指前因子以及三聚物生成的指前因子.通过分析主要含Ga物质的摩尔浓度和对应的生长速率的变化,研究上述反应动力学参数变化对GaN生长反应路径的模拟结果的影响.研究的主要结论如下:(1)不同的指前因子和活化能导致不同的反应路径和生长速率的差异,而热解路径比起加合路径能够更有效地提高生长速率.(2)在不考虑三聚物反应时,预测的生长速率值都与实验值接近.原因在于,输运限制的生长速率取决于含Ga粒子的输运速率,不同的反应路径对含Ga粒子的影响此消彼长,但到达衬底的含Ga粒子的总量变化不大,这也很好地解释了不同文献采用不同的动力学参数模拟都与实验基本吻合的原因.(3)改变三聚物反应的指前因子发现,由于热泳力对大分子的排斥作用,三聚物对生长的贡献很小,生成的三聚物越多,与实验的误差越大.模拟结果澄清了前人在模拟MOVPE生长GaN的反应-输运过程中存在的一些问题,并加深了对GaN生长机理的了解.     

调制周期、比沉积温度对ZrB2/W纳米多层膜微结构和机械性能的影响

利用离子束辅助沉积方法(IBAD)在室温和400℃下制备出了单质的ZrB₂和W薄膜以及不同调制周期和调制比的ZrB₂/W纳米超晶格多层膜. 通过XRD, SEM, 表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了沉积温度和调制周期对纳米多层膜生长、织构、界面结构、机械性能的影响. 研究结果表明: 在室温条件下, 调制周期为13 nm时, 多层膜的硬度最高可达23.8 GPa, 而合成中提高沉积温度则有利于提高薄膜的机械性能. 在沉积温度约为400℃时合成的6.7 nm调制周期的ZrB₂/W多层膜, 其硬度和弹性模量分别达到了32.1和399.1 GPa. 同时, 临界载荷也增大到42.8 mN, 且残余应力减小到约?0.7 GPa. 沉积温度的提高不仅使具有超晶格结构的ZrB₂/W纳米多层膜界面发生原子扩散, 增强了沉积原子迁移率, 导致其真实的原子密度提高, 起到位错钉扎的作用, 同时晶粒尺度也被限制在纳米尺度, 这些均对提高薄膜的硬度起到作用.     

Si-N-O薄膜表面微图形的制备及对内皮细胞黏附行为的影响

采用光刻技术、湿法刻蚀在(100)硅片表面制备微米级沟槽图形结构, 并运用非平衡磁控溅射(UBMS)设备在图形表面沉积Si-N-O系薄膜, 最终得到Si-N-O薄膜表面微图形. 运用表面轮廓仪对微图形结构尺寸进行了表征, 采用X射线光电子能谱(XPS)对Si-N-O薄膜的成分结构进行了检测, 应用静态接触角测量评价了样品表面的亲疏水性, 运用体外内皮细胞粘附及Alamar blue实验评价Si-N-O薄膜表面微图形对内皮细胞粘附、取向及增殖等细胞行为的影响. 实验结果发现图形样品表面的内皮细胞数量和活性优于平面样品. 图形对培养1 d的内皮细胞取向有明显的引导作用, 细胞多沿与沟槽平行方向生长; 3 d后多数内皮细胞跨过沟槽区域相互融合, 细胞活性仍显著优于平面样品. 实验表明样品表面的微图形化可有效促进了内皮细胞在样品表面的附着与增殖生长.     

Co/Cu多层膜沉积过程中结构和形貌的变化

从原子结合能和位错生成能入手,分别计算了在Co基底上沉积Cu薄膜和在Cu基底上沉积Co薄膜时,薄膜结构随沉积厚度增加所发生的变化.结果表明,在{100}纤维织构的Co基底上沉积Cu薄膜,当薄膜厚度达到3.33 nm时会在薄膜与基底界面产生错配位错,且随薄膜厚度增加,错配位错密度逐渐增大.在{100}纤维织构Cu基底上沉积Co薄膜,当薄膜厚度达到4.90 nm时,薄膜生长模式会由层状向岛状转变,薄膜为fcc结构.当厚度超过12.64 nm后会出现hcp结构.计算结果与实验得出的结论基本相符.     

层状二硫化钼纳米薄膜的制备及其光学特性

通过化学气相沉积法(CVD),以三氧化钼(MoO_3)粉末和硫(S)粉末作为反应物,将二硫化钼(MoS_2)纳米薄膜直接沉积到石英衬底上.通过光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对薄膜的表面形貌进行了观察.发现所生长的MoS_2薄膜为纳米层状结构.通过拉曼光谱和光致发光光谱对生长的薄膜进行结构及光学性能分析.结果表明生长的纳米薄膜中有单层、双层和三层MoS_2薄膜的存在,同时在单层、双层和三层MoS_2薄膜中观察到了光致发光现象.并分析解释了MoS_2纳米薄膜从体材料向单层转变时能带结构的变化.     

等离子体辅助原子层沉积过渡金属及其碳化物

过渡金属及其碳化物薄膜现已广泛应用于微电子、能源及催化等领域.等离子体辅助原子层沉积能够产生高活性的反应粒子,具有沉积温度低、反应充分等特点,能在复杂3D结构基底上制备连续、保形的高质量过渡金属及其碳化物薄膜.本文首先介绍了等离子体辅助原子层沉积技术的基本原理,然后综述了当前等离子体辅助原子层沉积制备金属及其碳化物的研究进展,重点论述了等离子体辅助原子层沉积在降低沉积温度、缩短成核周期、增强反应活性、提高薄膜沉积速率及纯度等方面的优势,最后对该技术未来的发展进行了展望.     

基于显-隐式格式的三维时域土-结相互作用分析的异步并行算法

提出了一种分析三维时域土-结构动力相互作用的并行计算方法.该方法利用显式和隐式积分格式各自的优点,采用集中质量显式有限元和黏弹性人工边界模拟无限域地基,采用隐式积分格式有限元法计算上部结构的响应,两者可采用不同的时间步距.在此基础上,采用MPI通信协议,提出了土-结构系统中土体区域的并行计算方法,以及土体区域与结构间的异步并行计算方法,并通过自编的Fortran源程序实现了地震作用下土-结相互作用分析的并行计算.以某一核电结构模型为例,分别采用串行算法和并行算法分析了土-核电结构体系在SV波输入下的反应,验证了本文并行算法的可行性和高效性.     

线性菲涅尔系统空管预热模型分析及变占空比跟随控制应用研究

通过分析影响线性菲涅尔集热效率的关键因素,建立线性菲涅尔系统光热效率模型,基于该模型提出了一种适用于线性菲涅尔系统空管预热的变占空比跟随控制方法.通过实时数据计算每个预热周期内系统的聚光占空比,实现线性菲涅尔系统恒速率预热控制.通过MATLAB模拟不同时刻及不同辐照(DNI)下预热过程系统聚焦占空比,并将该方法应用于敦煌熔盐菲涅尔示范电站空管预热.实验结果表明,该控制方法能够很好地实现线性菲涅尔系统集热管空管恒速率预热控制.与常规定占空比预热方式相比,在满足真空集热管温升速率要求的前提下,该方法能够有效缩短系统整体预热时间,实现最大效率太阳资源利用.     

Sb2Te3纳米薄膜的ECALE法制备

研究了利用电化学原子层外延法(electrochemical atomic layer epitaxy, ECALE)在Pt电极上生长Sb₂Te₃化合物半导体薄膜热电材料的过程. 采用循环伏安扫描分别研究了Te和Sb在Pt衬底上以及在覆盖了一层元素之上的电沉积特性, 在此基础上使用自动沉积系统交替电化学沉积了400个Te和Sb原子层. 采用XRD, FESEM和FTIR等多种分析测试手段对沉积薄膜的结构、形貌、禁带 宽等进行了表征. XRD结果表明, 沉积物是Sb₂Te₃化合物, 与EDX定量分析和 电量计算结果吻合; FESEM对薄膜表面及断面形貌检测表明沉积颗粒排列紧 密、大小均匀, 平均粒径约为20 nm, 薄膜均匀平坦, 膜厚约190 nm; 由于沉积薄膜的纳米结构, FTIR吸收谱出现蓝移, 测得Sb₂Te₃薄膜禁带宽为0.42 eV.     

基于铝诱导结晶的多晶硅薄膜材料结构优化

基于铝诱导结晶化（AIC）方法,研究了不同溅射材料结构对多晶硅薄膜形成过程和材料特性的影响.首先利用射频溅射Si和直流溅射Al的方法,分别在普通玻璃衬底上沉积Si/Al/Glass,Al/Si/Glass,Si/Al/L/Si/Al/Glass三种不同结构的薄膜材料.采用相同的低温退火（500℃）工艺,对上述薄膜进行了多组时间下的退火Al诱导结晶处理.对退火处理后的样品去除表面多余Al之后进行了X射线衍射、电子显微镜表面观察和霍耳迁移率测试,分析其晶体质量特性和电学特性.结果表明,在足够长时间下,3种结构均可成功实现AIC多晶硅薄膜,其中采用多重周期性结构的薄膜结晶速度最快,并得到更优的结晶效果.     

硅量子点双势垒存储结构及其编程机制的研究

采用等离子体化学气相沉积(PECVD)及热退火方法制备了含硅量子点的Si Cx薄膜.透射电子显微镜(TEM)观测表明Si Cx薄膜中生长了大量硅量子点.制备了含Si Cx薄膜包裹硅量子点的双势垒存储器结构.TEM观测表明,采用上述工艺成功制备了Si3N4/Si Cx薄膜/Si-QDs/Si Cx薄膜/Si O2双势垒结构的存储器结构.利用硅量子点的库伦阻塞效应及量子限域效应,从理论上分析了双势垒硅量子点存储器的编程机制,建立了双势垒存储结构阈值电压漂移模型,模拟仿真表明双势垒存储器的阈值电压漂移要大于单势垒存储器,编程速度更快.存储结构C-V特性测试表明,样品在扫描栅压为±12 V时有10 V左右的存储窗口,证明双势垒存储结构具有良好载流子存储效应.     

PAH复合石墨氧化物分子沉积薄膜的制备及纳米摩擦学行为研究

用分子沉积技术制备了聚丙烯胺(PAH)/石墨氧化物(GO)多层分子沉积薄膜, 为了增大薄膜自身的结合强度, 采用加热的方式使其成膜动力发生转变. 用紫外光谱及原子力显微镜(AFM)考察了薄膜的微观结构及其纳米摩擦学性能. 结果表明, 薄膜能够有效降低玻璃表面的摩擦, 加热后薄膜成膜动力由静电结合转变为价键结合的形式, 同时摩擦力的变化取决于薄膜表面硬度和形貌.     

Ti-O薄膜表面抗凝血及人脐静脉内皮细胞种植

利用等离子体浸没离子注入沉积(PIII-D)合成Ti-O薄膜, 并采用体外血小板粘附试验对Ti-O薄膜进行血液相容性评价. 结果表明, 晶态Ti-O薄膜表面具有良好血液相容性. 进一步的薄膜表面人脐静脉内皮细胞种植试验表明, 晶态Ti-O薄膜表面内皮细胞生长自然、正常且均匀覆盖其表面. 研究发现晶态Ti-O薄膜具有良好的内皮细胞化特性.     

光刻胶刻蚀过程模拟的三维动态CA模型

建立了光刻胶刻蚀过程模拟的三维动态CA模型, 通过制定规则来确定模拟过程中不断更新的表面元胞, 使得模拟只需计算表面元胞的刻蚀过程; 同时模型避免了在模拟程序中大量运用if-else结构, 使运算速度大大提高. 因此模型具有稳定性好、运算速度快的优点. 首先利用一些刻蚀速率测试函数对模型进行测试, 验证了模型的效果. 随后结合曝光过程和后烘过程模拟, 采用一个精度较高的光刻胶刻蚀速率计算公式模拟光刻胶刻蚀过程; 并将模拟结果与已有的实验结果进行了对比, 比较一致. 这些结果表明建立的光刻胶刻蚀过程模拟的三维动态CA 模型具有较高的精度, 能有效地模拟光刻胶刻蚀过程, 并可与曝光、后烘等光刻工艺模拟的其他步骤集成在一起.     

Ag生长温度对Ag／ZnO肖特基接触特性的影响

利用脉冲激光沉积（PLD）方法在Si衬底上制备了ZnO单晶体薄膜，并在不同温度下生长了Ag膜作为肖特基电极，研究了Ag与ZnO的接触特性．利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和I-V测试方法对样品的晶体质量、结构和电学性质进行了分析．结果表明，ZnO薄膜具有高度的c轴择优取向，Ag膜随生长温度的不同的晶体质量有较大差异．样品在室温下的I-V测试结果表明Ag电极的生长温度对Ag／ZnO接触性能有重要影响．在150℃和200℃生长的Ag电极实现了Ag与ZnO的肖特基接触，电极生长温度低于150℃和高于200℃的样品Ag与ZnO均为欧姆接触．经过分析，肖特基接触的形成依赖于在Ag与ZnO接触界面处形成的p型反型层．     

基于碳纳米管薄膜的吸附式气体传感器的研究

研究了低温低压化学气相沉积(LPCVD)法生长的多壁碳纳米管薄膜对气体的敏感性. 结果表明纯的多壁碳纳米管薄膜对气体没有明显的气敏特性, 而碳纳米管-二氧化硅复合薄膜表现出对甲烷、氢气和乙炔的敏感性. LPCVD法生长的多壁碳纳米管-二氧化硅复合薄膜由于Schottky结的形成而具有电容性, 被测气体在多壁碳纳米管表面发生化学吸附, 从而调节Schottky结处存在的空间放电区域而导致介电常数改变是其对气体敏感的主要原因.