[发明专利]无损、快速、准确表征四面体非晶碳薄膜键态结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶碳薄膜技术领域，尤其涉及一种无损、快速、准确表征四面体非晶碳薄膜键态结构的方法。

背景技术

类金刚石非晶碳薄膜由于其高硬度、低摩擦系数、良好的耐蚀性及生物相容性等优异物理化学性能，在制造业、微机电、生物、航空航天等领域具有广阔应用前景。在类金刚石非晶碳薄膜材料中，四面体非晶碳薄膜(tetrahedral amorphous carbon，ta-C)不含氢，薄膜中具有高的sp³C键态，因此薄膜具有极高的硬度和优异的光学特性，在光学薄膜材料的应用设计与制造中备受关注。然而在实际应用中，不同制备方法和参数条件下的ta-C薄膜性能差别较大，这主要是由其微观碳键态结构sp²-πC键态和sp³-σC键含量比决定的。其中，sp²C键的含量主要决定薄膜的光学特性和电学性能，而薄膜的力学性能则主要由sp³C键的含量所决定。因此，针对不同应用需求，如何精确的测量ta-C薄膜中的sp²C和sp³C含量，进而建立起薄膜内在微结构与表观物化性能之间的作用规律，已成为实现ta-C薄膜性能优化调控的关键。

目前，测量非晶碳膜中的sp²C和sp³C含量或sp³/sp²比例的方法主要包括：拉曼光谱法(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、电子能量损失谱(EELS)和核磁共振(NMR)。这些方法在定量和定性表征方面虽都各自具有优点，但作为精确测量sp²C和sp³C含量的方法还都不足。拉曼光谱法因π态能量比σ态能量低，使得sp²C的极化散射截面通常是sp³C的50～100倍，导致薄膜中即便含有较高的sp³C键时也不易在光谱中表现出来，因此目前主要作为一种广泛的无损、定性表征方法使用。EELS虽可准确测量碳膜中的sp²C和sp³C的含量，但测量工艺复杂，不仅需将薄膜从基底上剥落下来，对薄膜样品具有破坏性，耗时较长，且因ta-C薄膜中应力大，制样非常困难。NMR法则因对样品的体积和厚度有一定要求，对薄膜样品制备工艺要求高。XPS法虽可作为一种无损、简便的测量方法，但测得的C1s谱峰在后续分峰拟合处理方面复杂，目前还没有较完善的统一拟合标准，在定量表征方面精确度不高。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述非晶碳膜中sp²C和sp³C含量的测量方法，提供了一种表征ta-C薄膜键态结构的方法，利用该方法可以无损、快速、准确、定量地表征ta-C薄膜中sp²C和sp³C的含量，从而解决了传统非晶碳膜键态结构测试方法中存在的对样品要求较高而导致的样品制备困难、表征精度不高，以及表征时对样品有损坏的关键问题。

本发明实现上述技术目的所采取的技术方案为：一种无损、快速、准确表征四面体非晶碳薄膜键态结构的方法，首先，在石英或硅衬底上制备ta-C薄膜，制备完毕后利用紫外/可见/近红外分光光度计测量垂直入射时ta-C薄膜的透射率T；然后，采用光谱型椭偏仪，通过可变入射角椭偏光谱法进行键态结构的表征，具体包括如下步骤：

步骤1、初始化设备：

启动光谱型椭偏仪，将表面为ta-C薄膜的Si衬底加载在样品台上；

步骤2、测量ta-C薄膜的椭偏参数Ψ和Δ：

设定测量参数，对ta-C薄膜进行光学测量，得到椭偏参数Ψ和Δ；

步骤3、拟合ta-C薄膜的厚度d_f、折射率n_f及消光系数k_f：

将ta-C薄膜透射率T与步骤(2)得到的椭偏参数Ψ和Δ同时设定为拟合参数，将ta-C薄膜厚度d_f、折射率n_f及消光系数k_f同时选为求解拟合量，建立Si衬底层、ta-C薄膜层以及表面粗糙层的数学物理模型，通过拟合软件数学求解得到ta-C薄膜的厚度d_f、折射率n_f及消光系数k_f；

步骤4、拟合ta-C薄膜的键态结构：