超強激光科學(xué)卓越創(chuàng)新簡報

(第五百八十二期)

2024年12月20日

上海光機所在HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜材料研究方面取得進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部薄膜光學(xué)研發(fā)中心朱美萍研究團隊與先進(jìn)激光與光電功能材料部研究團隊開展合作研究，在HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜材料研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Effect of ternary compound on HfO₂-Al₂O₃ mixture coatings revealed by solid-state NMR and TOF-SIMS”為題發(fā)表于《半導(dǎo)體加工中的材料科學(xué)》（Materials Science in Semiconductor Processing）。

典型的光學(xué)薄膜通常由高折射率材料層和低折射率材料層交替疊加而成。由于適合光學(xué)薄膜的材料有限，薄膜膜系設(shè)計時存在折射率和光學(xué)帶隙上的選擇限制?；旌喜牧喜粌H具備連續(xù)可調(diào)的折射率和光學(xué)帶隙，更展現(xiàn)出優(yōu)于單一材料的低損耗和高激光損傷閾值特性，逐漸應(yīng)用于高功率激光薄膜元件以及高精密光學(xué)系統(tǒng)中?，F(xiàn)有的研究更多側(cè)重于混合材料對薄膜光學(xué)、應(yīng)力等宏觀性能的影響，對于混合對薄膜材料本身的微觀性能研究較少。

在這項工作中，研究人員聚焦于在抗激光損傷性能上表現(xiàn)出色的HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜，通過改變薄膜的混合比例以及改變薄膜的退火溫度來研究HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與化學(xué)成份的演變。研究結(jié)合了多種表征技術(shù)，包括核磁共振譜（MAS-NMR）、飛行時間二次離子質(zhì)譜 (TOF-SIMS)、X 射線光電子能譜 (XPS)、X射線衍射 (XRD)和透射電子顯微鏡 (TEM)。實驗結(jié)果表明，HfO₂的混入使得Al₂O₃薄膜由以六配位鋁為主的連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樗奈辶湮讳X共存的連接結(jié)構(gòu)，且混合物內(nèi)出現(xiàn)包含Hf-O-Al的三元化合物，其含量與五配位鋁（Al_V）的含量呈正相關(guān)，并進(jìn)一步影響 HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜的潤濕性。該研究有助于進(jìn)一步理解HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜材料的微觀結(jié)構(gòu)，為新型薄膜研發(fā)提供材料基礎(chǔ)。

相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計劃、東方英才計劃領(lǐng)軍項目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃等的支持。

原文鏈接

圖1. （a）HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜的示意圖；（b）1:1混合的HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜在不同退火溫度下的Al配位分布情況；（c）在不同退火溫度下五配位Al含量與三元化合物Hf-O-Al含量的變化。

圖 2. (a) 接觸角儀中拍攝的水在 HfO₂-Al₂O₃混合物薄膜上的照片以及 (b) 相應(yīng)的水接觸角。(c) M2 樣品的水接觸角與大氣中退火溫度的關(guān)系。