Ni-AlN太阳能选择性吸收涂层中频磁控溅射技术研究

【摘要】： 太阳能选择性吸收涂层制备技术是太阳能热利用的关键技术之一,目前存在高温稳定性差、工艺稳定差、制备工艺复杂等问题。将Ni-AlN材料体系和中频反应磁控溅射技术结合起来有可能开发出光学性能和高温性能优异的选择性吸收涂层的低成本工业化生产技术。 本论文对中频反应磁控溅射工艺参数对TiN薄膜结构及性能的影响进行了研究,结果表明氮气流量和靶功率对薄膜结构及性能的影响较大。 对中频反应磁控溅射工艺参数对Al靶放电特性和制备的AlN薄膜显微结构的影响进行了研究,结果表明:氮气流量、氩气流量、靶功率和靶面磁场对Al靶的放电特性有显著影响;Al靶电压随着氮气流量的增加而减小,当氮气流量超过临界值后,Al靶电压随着氮气流量增加而下降的速度加快;减小氩气流量和增加靶电流使Al靶开始发生严重靶中毒所对应的临界氮气流量有所增加。随着氮气流量的增大,沉积的AlN薄膜含氮量不断增加,其相组成由以单质铝相为主逐渐转变为以AlN相为主,薄膜的致密性有明显改善;增大氩气流量或减小靶电流使制备完全符合理想化学计量比的AlN薄膜的氮气流量范围变小,AlN薄膜的相结构由纳米晶向非晶转变;增大氩气流量和靶电流有利于薄膜表面粗糙度和致密性的改善。 对Ni-AlN复合薄膜的共溅射沉积工艺和显微结构的研究表明:当同时开启Ni靶和Al靶时,Al靶表面开始发生严重靶中毒所对应的临界氮气流量有所增加; Ni-AlN复合薄膜表面的颗粒尺寸明显小于相同条件下沉积的AlN薄膜;制备的Ni-AlN复合薄膜由非晶态的AlN和纳米晶的Ni组成,N/Al比低于理想化学计量比,Ni含量明显高于Al含量。 对梯度Ni-AlN选择性吸收涂层结构对其性能的影响进行了研究,并与制备的梯度Al-AlN选择性吸收涂层进行了比较,结果表明:随着Ni-AlN复合材料吸收亚层层数的增加,制备的选择性吸收涂层的可见光反射率有所下降,在制备AlN减反射膜后,选择性吸收涂层的可见光反射率明显降低;随着梯度Ni-AlN选择性吸收涂层的浓度梯度减缓,选择性吸收涂层的可见光反射率不断减小;当单层Ni-AlN复合材料吸收亚层的沉积时间为10min时制备的梯度Ni-AlN选择性吸收涂层在可见光范围内的反射率小于15%,且具有明显的光谱选择性。 【关键词】：Ni-AlN 梯度 选择性吸收涂层 太阳能 中频反应磁控溅射
【学位授予单位】：中国地质大学（北京）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：O484.1
【目录】：

• 中文摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 引言12-30
• 1.1 选题背景及研究意义12-14
• 1.2 太阳能选择性吸收涂层研究现状14-26
• 1.2.1 太阳能选择性吸收涂层的基本概念14-16
• 1.2.2 选择性吸收涂层的基本原理16-18
• 1.2.3 太阳能选择性吸收涂层的制备方法18-23
• 1.2.4 反应磁控溅射过程中化合物膜的沉积23-26
• 1.3 论文的研究内容、目标及主要贡献26-30
• 1.3.1 研究内容与目标26-27
• 1.3.2 论文章节安排27-28
• 1.3.3 论文主要贡献和创新点28-30
• 2 实验装置和实验方法30-44
• 2.1 薄膜制备方法30-35
• 2.1.1 中频反应磁控溅射设备30-34
• 2.1.2 基体材料及预处理34-35
• 2.1.3 薄膜沉积工艺35
• 2.2 薄膜分析检测方法35-44
• 2.2.1 膜层厚度测试35-36
• 2.2.2 缺陷的定量分析36-37
• 2.2.3 结合强度测试37
• 2.2.4 扫描电子显微分析37-38
• 2.2.5 X 射线衍射分析38-39
• 2.2.6 X 射线光电子能谱分析39-40
• 2.2.7 俄歇电子能谱分析40-41
• 2.2.8 薄膜的反射率测量方法41-44
• 3 TiN 薄膜的中频反应磁控溅射技术研究44-60
• 3.1 引论44
• 3.2 TiN 薄膜的中频磁控沉积工艺44
• 3.3 沉积工艺对TiN 薄膜沉积速率的影响44-48
• 3.4 沉积工艺对TiN 薄膜宏观形貌的影响48-50
• 3.5 沉积工艺对TiN 薄膜微观表面形貌的影响50-56
• 3.5.1 沉积工艺对TiN 薄膜表面缺陷数的影响50-52
• 3.5.2 沉积工艺对TiN 薄膜表面缺陷面积百分比的影响52-56
• 3.6 沉积工艺对 TiN 薄膜结合力的影响56-60
• 4 AlN 薄膜的中频反应磁控溅射技术研究60-82
• 4.1 引论60
• 4.2 氮气流量的影响60-68
• 4.2.1 氮气流量对铝靶放电特性的影响60-62
• 4.2.2 氮气流量对薄膜表面形貌的影响62-64
• 4.2.3 氮气流量对薄膜成分和化学结合状态的影响64-67
• 4.2.4 氮气流量对薄膜相结构的影响67-68
• 4.3 氩气流量的影响68-75
• 4.3.1 氩气流量对铝靶放电特性的影响68-69
• 4.3.2 氩气流量对薄膜表面形貌的影响69-70
• 4.3.3 氩气流量对薄膜成分和化学结合状态的影响70-73
• 4.3.4 氩气流量对薄膜相结构的影响73-75
• 4.4 靶电流的影响75-79
• 4.4.1 靶电流对铝靶放电特性的影响75
• 4.4.2 靶电流对薄膜表面形貌的影响75-76
• 4.4.3 靶电流对薄膜成分和化学结合状态的影响76-79
• 4.4.4 靶电流对薄膜相结构的影响79
• 4.5 靶面磁场对铝靶放电特性的影响79-82
• 5 Ni-AlN 复合薄膜的中频反应磁控溅射技术研究82-92
• 5.1 引论82
• 5.2 铝靶的放电特性82-84
• 5.3 镍靶的放电特性84-85
• 5.4 Ni-AlN 复合薄膜的显微结构85-92
• 5.4.1 Ni-AlN 复合薄膜的表面形貌85-86
• 5.4.2 Ni-AlN 复合薄膜的成分和化学结合状态86-89
• 5.4.3 Ni-AlN 复合薄膜的相结构89-92
• 6 梯度Ni-AlN 选择性吸收涂层研究92-100
• 6.1 引论92
• 6.2 Ni-AlN 复合材料吸收亚层层数对涂层反射率的影响92-93
• 6.3 Ni-AlN 选择性吸收涂层浓度梯度对涂层反射率的影响93-98
• 6.4 梯度Al-AlN 选择性吸收涂层98-100
• 7 成膜机理分析100-110
• 7.1 引论100
• 7.2 薄膜的成膜过程100-103
• 7.3 TiN 薄膜和AlN 薄膜的成膜过程分析103-107
• 7.4 Ni-AlN 复合薄膜的成膜过程分析107-110
• 结论110-112
• 研究结论110-111
• 对下一步工作的建议111-112
• 致谢112-114
• 参考文献114-124
• 附录124
• 论文发表情况124
• 个人简历124

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