Zr掺杂对Y₂O₃/金刚石薄膜结构与性能的影响

摘要

元素掺杂可以改变基体材料的结构，从而提高材料的性能。利用磁控溅射法在单晶硅和多晶CVD金刚石上分别制备未掺杂及Zr掺杂Y₂O₃薄膜，研究Zr掺杂氧化钇（Y₂O₃）增透薄膜的组成、结构及性能。掠入射X射线（GI-XRD）测试结果表明，未掺杂的Y₂O₃薄膜呈现立方（222）面柱状晶体取向，随着Zr掺杂功率增加，新的单斜Y₂O₃相（111）晶面取向开始出现。扫描电镜（SEM）观察结果表明，不同Zr掺杂功率下Y₂O₃薄膜呈现柱状晶结构，结晶质量较好。原子力显微镜（AFM）结果证实，与未掺杂的Y₂O₃薄膜相比，Zr掺杂的Y₂O₃薄膜具有较低的均方根（RMS）粗糙度值。在Zr掺杂的Y₂O₃薄膜中，随着Zr浓度的增加，柱状晶的晶粒尺寸显著减小。X射线光电子能谱（XPS）结果表明，金属Zr与O相互作用，以Zr-O化合物形式存在于Y₂O₃薄膜中。在8～12μm的长波红外范围内，Zr掺杂的Y₂O₃/金刚石薄膜最大透过率提升了19.7%,3～4μm中波红外范围内最大透过率提升了25.9%。颗粒细小的Zr掺杂Y₂O₃薄膜具有较高的硬度和弹性模量，其硬度和弹性模量分别增加了5.3 GPa和33.9 GPa。

关键词

CVD金刚石 / Y₂O₃增透膜 / Zr掺杂 / 透过率