清華大學(xué)科研團隊在薄膜制備與應(yīng)用領(lǐng)域取得進展

在信息技術(shù)、航空、航天等高科技領(lǐng)域的快速發(fā)展推動下，高性能薄膜材料因其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在傳感器、太陽能電池、微電子設(shè)備等領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在薄膜生長過程中，表面溫度是直接影響薄膜生長模式、沉積速率和最終質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。然而，現(xiàn)有的基底溫度測量方法存在空間分辨率低、測量誤差大等不足，難以準(zhǔn)確反映薄膜生長表面的真實溫度狀況。此外，生長表面與基底之間的顯著溫度梯度表明，基底溫度無法完全代表薄膜生長的真實情況。因此，開發(fā)能夠精確測量薄膜生長表面瞬態(tài)溫度的新技術(shù)尤為重要，這不僅有助于提升薄膜的質(zhì)量，還能加深對薄膜生長動力學(xué)的理解。

清華大學(xué)機械系王玉明院士、王子羲副研究員課題組與大連交通大學(xué)丁萬昱教授課題組合作，使用NiCr/NiSi薄膜熱電偶測量分析磁控濺射薄膜生長的表面溫度梯度，該工作填補了現(xiàn)有技術(shù)空白，為后續(xù)的機理研究和應(yīng)用開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“利用NiCr/NiSi薄膜熱電偶對磁控濺射薄膜生長進行表面溫度梯度的測量與分析”（Measurement and analysis of surface temperature gradients on magnetron sputtered thin film growth studied using NiCr/NiSi thin film thermocouples）為題，于10月10日作為封面論文發(fā)表于《微尺度》（Small）。

該研究通過設(shè)計和應(yīng)用NiCr/NiSi薄膜熱電偶，建立了一種新的測量系統(tǒng)，以精確捕捉薄膜生長過程中表面溫度的微小變化，進而優(yōu)化薄膜制備工藝，提升薄膜性能，為薄膜技術(shù)的發(fā)展提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

研究人員在設(shè)計的NiCr/NiSi薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)上選擇了100μm的超薄玻璃基底，制備了用于測量TiO2薄膜生長表面溫度梯度的三層NiCr/NiSi薄膜熱電偶溫度測量系統(tǒng)（圖1）。此外，在0.83W/cm2的濺射功率密度下沉積TiO2薄膜并測量了其生長表面和基底的溫度。結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，第一層和第二層之間的溫度差為104.79℃，第二層和第三層之間的溫度差為39.92℃（圖2）。這與模型相符，符合熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律。

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圖1.TiO2表面成膜微觀機理

在TiO2薄膜沉積過程中，磁控濺射技術(shù)被用來制備薄膜。通過將真空腔抽至低壓并注入Ar氣體，Ar原子在正負(fù)電極的電壓作用下被電離為Ar⁺離子和自由電子。電子迅速移動到玻璃基板，而帶正電的Ar⁺離子則加速并撞擊靶材（Ti靶）。這些高速碰撞使Ti原子獲得足夠的能量，從靶材中釋放出來，并與腔內(nèi)的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiO2薄膜。在此過程中，電子與氣體分子每秒發(fā)生大量碰撞，能量傳遞顯著。這一模型對于理解電子、離子和材料之間的相互作用，以及薄膜形成過程中的能量傳遞機制，具有重要意義。

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圖2.溫度場分布及實驗結(jié)果

研究人員通過NiCr/NiSi薄膜和標(biāo)準(zhǔn)K型貼片熱電偶測量了TiO2薄膜的生長表面溫度和基底溫度。在TiO2薄膜沉積過程中，熱能主要被薄膜生長表面吸收。從薄膜生長表面到薄膜生長基板存在較大的溫度梯度。薄膜生長表面的溫度顯著高于基板溫度。結(jié)合TiO2薄膜生長表面的溫度，薄膜生長表面的溫度起著關(guān)鍵作用。

清華大學(xué)機械系副研究員王子羲、大連交通大學(xué)教授丁萬昱為論文的共同通訊作者，機械系博士后劉智慧為論文的第一作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金、國家資助博士后基金等項目的資助，清華大學(xué)高端裝備界面科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202404829