Co-Mo2C多層膜熱穩(wěn)定性及界面特性研究

1、    co/mo2c多層膜熱穩(wěn)定性及界面特性研究    馮志祥李浩川朱京濤吳文娟摘要：為研究多層膜反射鏡的熱穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)制備了工作在778 ev處的co/mo2c多層膜，研究了多層膜在退火實(shí)驗(yàn)中的熱穩(wěn)定性及界面結(jié)構(gòu)的變化。通過x射線反射測試表征及擬合退火前后多層膜的結(jié)構(gòu)信息，并用x射線衍射表征多層膜退火過程中膜層晶相結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明，多層膜的界面質(zhì)量較好，未退火樣品處于無定形態(tài)。在退火過程中，周期厚度變化小，多層膜的熱穩(wěn)定性優(yōu)異。隨著退火溫度的升高，在mo2conco界面處，co從coc混合區(qū)域中析出生成co3mo晶粒，界面擴(kuò)散程度加大，從而coo

2、nmo2c界面的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于mo2conco界面。關(guān)鍵詞：多層膜； 熱穩(wěn)定性； 界面特性： o 484.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.016引言空間科學(xué)研究的深入發(fā)展推動著極紫外與軟x射線天文觀測技術(shù)的不斷提高。高性能的極紫外多層膜反射鏡作為核心光學(xué)元件在天文觀測、等離子體診斷56、同步輻射等研究領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈重要的作用。在空間環(huán)境中，較大的環(huán)境溫差對于多層膜元件是極大的考驗(yàn)，因而多層膜的熱穩(wěn)定性是衡量多層膜反射鏡實(shí)際使用性能的重要指標(biāo)之一。周期多層膜通常由吸收層和間隔層兩種材料構(gòu)成，形成若干個(gè)界面，反射光在界面處干涉加強(qiáng)，從而

3、增強(qiáng)了反射率。另外，現(xiàn)有的研究表明，薄膜膜層之間的界面特性對薄膜的光學(xué)性能影響巨大，包括膜層之間的相互擴(kuò)散以及界面粗糙度等。co作為一種常用的多層膜材料，有其自身的優(yōu)勢。它的熔點(diǎn)為1 495 ，可以滿足實(shí)際應(yīng)用中對于多層膜材料熱穩(wěn)定性的要求。此外，co作為一種常用的磁性材料，還具備其他非磁性材料不可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢，可借鑒磁性分析手段對co基多層膜進(jìn)行研究。mo2c這種材料因具備高熔點(diǎn)（2 690 ）、高硬度等良好的機(jī)械性能以及在光學(xué)薄膜中熱穩(wěn)定性好、界面擴(kuò)散小等優(yōu)點(diǎn)，近年來逐漸得到了國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注。faiser等將mo2c作為阻隔層插入mo/si多層膜中，極大地改善了mo/si多層膜的熱穩(wěn)

4、定性。giglia等通過軟x射線駐波場發(fā)射譜的表征方式，探測了多層膜中近表層界面的元素化合態(tài)的變化，證明了co/mo2c多層膜具備較好的熱穩(wěn)定性以及保護(hù)作用。本文使用磁控濺射系統(tǒng)制備co/mo2c多層膜并在真空環(huán)境下退火至600 ，通過x射線掠入射反射測試及擬合多層膜結(jié)構(gòu)、x射線衍射表征膜層晶相狀態(tài)，研究多層膜的熱穩(wěn)定性以及熱處理過程中的界面變化。1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品制備根據(jù)co在778ev處的l3吸收邊，掠入射角為11°，設(shè)計(jì)了周期厚度為4.1 nm，膜對數(shù)為30對的co/mo2c多層膜，（吸收層/周期厚度）為0.36，在多層膜的最外層鍍制3.5 nm的b4c作為保護(hù)層。在理想界面的情

5、況下，該膜系的理論反射率為45%。采用jgp560c6型超高真空磁控濺射設(shè)備鍍制多層膜樣品，本底真空7e5pa。退火實(shí)驗(yàn)的設(shè)備為一小真空室，小真空室內(nèi)有一線繞電爐，樣品盤直接放置于電爐上。樣品溫度通過一連接到盤上的熱電偶溫度計(jì)來監(jiān)控，電爐的溫度通過調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)。退火過程中，本底真空7e4pa，分別將樣品加熱到200 ，300 ，400 ，500 ，600 并在對應(yīng)溫度上保持恒溫1 h，然后在真空環(huán)境下自然冷卻到室溫。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析2.1x射線反射測試本文采用高分辨x射線衍射儀（英國bede公司，d1型設(shè)備）測量多層膜的x射線掠入射反射曲線，光源為cu的k alpha線（0.154 nm）。根

6、據(jù)測試結(jié)果，采用bragg公式計(jì)算出多層膜的周期厚度，再擬合反射曲線，能得出多層膜中各層的厚度、相對密度、界面粗糙度等信息。圖1為co/mo2c多層膜在300 退火前后的光強(qiáng)測試曲線?？梢钥闯?，兩條曲線的布拉格峰角度和強(qiáng)度都基本一致，表明多層膜結(jié)構(gòu)在300 退火后沒有發(fā)生明顯變化。圖2為co/mo2c多層膜300 退火前后x射線反射率測試曲線的擬合曲線，擬合結(jié)果見表1。從擬合結(jié)果看出，未退火的樣品的coonmo2c界面粗糙度為0.24 nm，mo2conco界面的粗糙度為0.34 nm，表明co/mo2c多層膜的界面粗糙度很小，界面質(zhì)量好。退火前后多層膜的周期厚度沒有變化，都為4.18 nm。

7、但是，圖2反射率曲線的擬合數(shù)據(jù)表明：300 退火后，co層的厚度膨脹0.2 nm，而mo2c層的厚度相應(yīng)收縮了0.2 nm，并且mo2conco界面的寬度從0.34 nm增大到0.82 nm，表明多層膜在退火過程中，界面寬度變大，兩種材料在mo2conco界面處發(fā)生了界面擴(kuò)散?？梢钥闯?，各級布拉格峰的角度與退火前的曲線基本一致，表明多層膜依然保持了周期性結(jié)構(gòu)，周期厚度變化小。一級布拉格衍射峰的強(qiáng)度在退火前后變化不大，高級次的布拉格衍射峰在退火后強(qiáng)度變得很弱，因而可以看出在600 退火后，多層膜界面質(zhì)量變差。圖4為co/mo2c多層膜600 退火前后x射線反射率測試曲線的擬合曲線，擬合結(jié)果見表2

8、。從擬合結(jié)果可以看出，退火前的界面粗糙度為0.25 nm和0.30 nm，在退火到600 之后，周期厚度從4.17 nm變?yōu)?.13 nm，僅收縮0.04 nm，表明多層膜在退火到600 以后，仍然保持了較好的周期結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性優(yōu)異。圖4反射率曲線的擬合數(shù)據(jù)表明：600 退火，co層的厚度膨脹0.21 nm，mo2c層的厚度相應(yīng)收縮了0.25 nm，其中mo2conco界面的界面寬度從0.30 nm增大到0.88 nm，而coonmo2c界面寬度基本不變，表明多層膜在退火過程中，兩種材料在mo2conco界面處發(fā)生了相對嚴(yán)重的界面擴(kuò)散。擬合各個(gè)退火溫度前后多層膜x射線反射率測試曲線，得到多層膜

9、的膜層厚度變化信息見表3。 其中co為退火前后co層厚度的變化量，mo2c為退火前后mo2c層厚度的變化量，d為退火前后周期厚度的變化。正值表示膜層在退火后膨脹，負(fù)值表示膜層在退火后發(fā)生收縮。圖5為不同退火溫度下，多層膜界面寬度的變化。從擬合數(shù)據(jù)可以看出，co/mo2c多層膜的周期厚度在退火到600 時(shí)變化都很小，熱穩(wěn)定性優(yōu)異。隨著退火溫度的升高，兩種材料發(fā)生界面擴(kuò)散，其中co層厚度膨脹，mo2c層厚度收縮。圖5可看出，coonmo2c界面非常穩(wěn)定，界面寬度隨著退火溫度升高幾乎不變，而mo2conco界面寬度則在退火300 以后發(fā)生了展寬。2.2x射線衍射測試測試了co/mo2c多層膜樣品的大

10、角x射線衍射曲線，來進(jìn)一步表征多層膜樣品在不同退火溫度下的晶相結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果見圖6。x射線衍射測試結(jié)果表明，未退火的co/mo2c多層膜樣品沒有布拉格衍射峰，膜層處于無定形態(tài)。隨著退火溫度的升高，在2為44°處有微弱的衍射峰，當(dāng)樣品退火到600 之后，44°處出現(xiàn)了較為明顯的衍射峰，該峰的峰值強(qiáng)度為55。表明退火到600 之后，有少量結(jié)晶物質(zhì)產(chǎn)生。對比晶體物質(zhì)衍射的pdf卡片，可知44°對應(yīng)的衍射峰為co3mo（002）合金相。天津大學(xué)在1996年發(fā)表了關(guān)于coc熱處理相分離的趨勢的實(shí)驗(yàn)，他們研究了co/c多層膜由于相分離趨勢，在低于250 的退火之后發(fā)生了反射率

11、增強(qiáng)現(xiàn)象。此外，在界面層的這種從相互混合區(qū)域分離成純物質(zhì)的現(xiàn)象在co/au，co/ag，co/c和con/cn 多層膜的熱退火到250 的實(shí)驗(yàn)中亦被觀測到。本文的co/mo2c多層膜也存在同樣的機(jī)理，如圖7為多層膜結(jié)構(gòu)變化示意圖。未退火的多層膜中，膜層處于無定形態(tài)，界面層中co和c以混合態(tài)的形式存在，界面層較小，界面質(zhì)量高，隨著退火溫度的升高，在mo2conco界面處coc相分離，析出純co。在局部區(qū)域，co繼而與mo形成co3mo團(tuán)簇，在其周圍進(jìn)一步成核長大生成co3mo晶粒。由于生成的co3mo晶粒尺寸較小，使得膜層中的原子沿著晶粒邊界進(jìn)一步擴(kuò)散，從而使得界面寬度變大，界面質(zhì)量變差。而co

12、onmo2c界面由于并無co析出，其界面在熱處理的過程中非常穩(wěn)定。3結(jié)論本文設(shè)計(jì)制備了co/mo2c多層膜，并研究了其熱穩(wěn)定性以及界面演化特性。通過x射線反射率測試表征及擬合多層膜的膜層結(jié)構(gòu)信息，發(fā)現(xiàn)該多層膜有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及界面質(zhì)量。在熱退火過程中，周期厚度基本保持不變，退火到600 時(shí)，周期厚度收縮0.03 nm。co層發(fā)生略微膨脹，mo2c層相對收縮。通過x射線衍射表征多層膜在在熱退火過程中的晶相結(jié)構(gòu)的變化，表明未退火的co/mo2c多層膜處于無定形態(tài)，隨著退火溫度的升高，mo2conco界面處，co從coc混合區(qū)域中析出生成co3mo晶粒，使得膜層中的原子沿著晶粒邊界更嚴(yán)重的擴(kuò)散，從而

13、coonmo2c界面的熱穩(wěn)定性優(yōu)于mo2conco界面。參考文獻(xiàn)：1朱京濤，王蓓，徐垚，等.類鎳鉭軟x射線激光用多層膜反射鏡的研制j.光學(xué)儀器.2006，28（4）：146149.2王風(fēng)麗，張眾，朱京濤，等.最小膜層厚度對x射線非周期多層膜光學(xué)性能的影響 j.光學(xué)儀器，2006，28（4）：4851.張淑敏，朱京濤，王風(fēng)麗，等.極紫外多層膜基底表面粗糙度綜合表征技術(shù)j.光學(xué)儀器，2006，28（4）：137140.nordgren j，bray g，cramm s，et al.soft xray emission spectroscopy using monochromatized synch

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