直流磁控溅射制备太阳光谱选择性吸收Cr1-xAlxN薄膜.doc

1、直流磁控溅射制备太阳光谱选择性吸收 Cr1-xAlxN 薄膜摘要：以直流反应磁控溅射方法为制备手段，选择 Cr、Al 为靶材，以氩气为工作气体，以氮气为反应气体，在纳钙玻璃基底上制备了太阳光谱选择性吸收的薄膜 Cr1-xAlxN，使之具有良好的光谱选择吸收特性。研究发现，在其他工艺参数不变的情况下，溅射气压在 0.3-0.5Pa 范围内，都能制备出择优取向的立方相 Cr1-xAlxN。而在 LN2：LAr=2:1，溅射气压为 0.5Pa，工作温度为 500，Cr 靶溅射功率：Al 靶溅射功率=3:2 时，制备的 Cr1-xAlxN 薄膜致密、均匀，结晶性好，电阻率最低为。制备的 Cr1-xAl

2、xN 薄膜在可见光区吸收率都能达到 50%以上，且在红外光区（900nm2100nm）达到 100%，说明其在红外光区具有极低的发射率，符合太阳光谱选择性吸收特性。可用于太阳集热器的吸收表面，并可直接作为光热转换材料。 中图分类号：TM142 文献标识码： A 0 引言 太阳能的利用在近几十年内一直讨论火热，中高温太阳能吸收薄膜正是目前探讨的重点，其研制与工业应用成为国内外学者正在攻克的难关。许多国家都在积极研究性能优良、成本低廉、工艺简单、稳定性良好的中高温太阳光谱选择性吸收薄膜。 磁控溅射技术是太阳光谱选择性吸收薄膜研制的其中一种方法。始于上世纪 70 年代，随着逐步发展、完善成一种新型的

3、溅射技术，而后太阳能选择性吸收薄膜的制备也引入了该种方法。CrxN 具有金属属性，是一种较好的导体，其涂层具有极高的热稳定、耐腐蚀好、对有色金属及其合金化学惰性好等特点。 作为太阳能光谱选择薄膜，实验过程中的衬底温度、靶间距离、溅射功率、工作压力、氩氮流量比、沉积时间等工艺参数都将对所制薄膜的结构特性、光学性能与电学性能产生影响。 本文主要讨论在一定的溅射压强下，以不同的氮氩流量比、Cr 靶与Al 靶溅射功率沉积制备 Cr1-xAlxN 薄膜，以及其相关性能。 I 实验 1.1 样品的制备 本实验采用沈阳聚智真空设备有限公司出产的 JZCK-450 多功能磁控溅射镀膜设备，以直径 50mm，纯

4、度为 99.99%的金属 Cr 靶、纯度为99.99%的金属 Al 靶为溅射靶材，以钠钙玻璃为衬底，纯度为 99.99%的氩气作为工作气体，纯度为 99.99%的氮气作为反应气体，使用直流反应磁控溅射方法，通过选择合理的溅射气压，在钠钙玻璃衬底上沉积 Cr1-xAlxN 薄膜。实验前需要使用丙酮、酒精和去离子超声波各 10min 对钠钙玻璃基地进行清理，并使用高压氮气吹干，置于旋转样品台上，待到实验腔体内真空度达到 7.510-4Pa 后，先后通入氩气和氮气。保持稳定的样品旋转速度，以获得均匀的 Cr1-xAlxN 薄膜。选择不同的氮氩流量比、实验温度、靶材的功率等参数来获得不同特性的 Cr1

5、-xAlxN 薄膜，具体工艺参数如表 1 所示。 表 1Cr1-xAlxN 薄膜工艺参数表, Table1Sputtering parameters for deposing Cr1-xAlxN thin films 1.2 样品的测试 薄膜样品的晶体结构采用日本生产的 X 射线衍射仪 D8 ADVANCE，测试分析了实验制得的 Cr1-xAlxN 薄膜的物相结构。薄膜在可见-近红外光谱范围的反射率采用了日本岛津紫外-可见-近红外分光光度计来测试。样品的方块导电率采用实验万用表进行测试。 2 结果分析 经过反复的实验及沉积得到了在以上工艺条件下的各样测试结果。 Cr1-xAlxN 薄膜样品的

6、XRD 图谱如图 1 所示.。在分光光度计的测试中，各项性能最佳的为 4#样品，其具有较好的吸光效果，其部分波段的吸收率图谱如图 2 所示。4#样品的 XRD 图谱如图 3 所示。 图 1 样品的 X 射线衍射图 Fig.1 X-ray diffraction spectra of sample 由图 1 可知，按照表 1 提供的工艺参数沉积的样品当中，当氮气流量充足时，生长成为多晶结构的 CrN 相或 Cr(Al)N 相；不同的 Cr 与 Al原子比例，衍射峰相对强度出现差别，即出现不同的晶粒取向；衍射峰位发生移动。通过 3#样品的结果，可以看出当氮气流量较小时，即氮气不足时，生长成为 Cr

7、3N。当氮气流量较小时，增大 Cr 靶材功率，为Cr3N 相和金属 Cr 相的混合物。在 5#样品的工艺条件下，衍射峰尖锐程度最高，结晶性好，晶粒较大。 图 24#样品的可见- 红外吸收光谱 Fig.2Visible and infrared absorption of sample 4# 图 34#样品的 X 射线衍射图 Fig.3 X-ray diffraction spectra of sample3 本次实验制备的各薄膜在可见光区吸收率都达到 50%左右，在红外光区达到 100%，说明 Cr1-xAlxN 薄膜在红外光区具有极低的发射率，其中4#样品在 Cr 靶溅射功率：Al 靶溅射功

8、率为 3：2；LN2:LAr 为 2:1 时，制备的 Cr1-xAlxN 薄膜在 350nm800nm 区域内吸收率达到 55%以上，在波长900nm 时其红外反射率已经达到 100%，此薄膜对于太阳光谱的反射具有很好的选择性，对可见光、接近可见光波长的近红外区有较低的反射率，而对波长较长的红外光有较高的反射率，即该薄膜在可见光半透明而在红外光区呈高反射。 3 结论 实验表明，在氮氩流量比为 2:1，铬靶功率为 120W，铝靶功率为80W，基底温度为 500，沉积时间为 2h，溅射气压为 0.5Pa，样品台旋转速度为 12r/min 时，沉积的薄膜均匀、致密，呈银灰色，结晶性良好，导电性能优，

9、电阻率最低为。在可见-近红外光区对太阳辐射的平均吸收率为 55%，最高红外反射率为 100%，具有良好的太阳光谱选择性。在以上工艺参数基础上，适当增加氮气流量，减小铝靶的功率，可以获得性能优良的以 CrN 为基质的 Cr1-xAlxN 薄膜。 参考文献 1 Y.H.Shin,Y.Shimogaki.Diffusion barrier property of TiN and TiN/Al/TiN films desposited with FMCVD for Cu interconnection in ULSIJ.Science and Technology of Advanced Materi

10、als.2004,5(4)：399-405. 2 Nunes. C, Teixeira.V.Graded selective coatings based on chromium and titanium oxynitrideJ. Thin Solid Films, 2003,442:173-178 3 Qi Chu Zhang. Recent progress in high-temperature solar selective coatingsJ.Solar Energy Materials and Solar Cells,2000,62:63-74 4付淑英.太阳光谱选择性吸收薄膜研究综述J.新余高专学报,2009，14(3)：92-94. 5崔志臣，罗振涛中国太阳能热利用 2011 年度发展研究报告J太阳能， 2012（2） 6 李海翼.DC 磁控溅射制备的 TiNx 薄膜组分及性能分析J.红外与毫米波学报，2010，29（4）：245-247. 7郝雷，王树茂，蒋利军等.非真空高温太阳光谱选择性吸收涂层的研制J.科学通报，2009,54(2）：251-254. 8 付淑英.TiNx 太阳光谱选择性吸收薄膜的研究D.南昌大学, 2010.