铝（Al）掺杂对钒氮（VN）薄膜的结构、电子、机械和光学性能的影响

《Applied Surface Science Advances》：Effect of Al doping on structural, electronic, mechanical, and optical properties of VN thin films

Al掺杂VN薄膜的制备与性能研究：通过磁控溅射在室温下制备了不同Al掺杂浓度（0-100%）的VN薄膜，XRD显示至71%时保持立方结构，84%以上出现AlN相。XAS和HAXPES表明Al掺杂增强共价键及电荷转移，光学带隙为3.4-5eV，硬度随Al浓度增加从7.13GPa增至16.8GPa（71%时）。

　　本研究聚焦于铝（Al）掺杂的钒氮（VN）薄膜的综合性能分析。通过采用反应磁控溅射技术，在室温（300 K）下制备了不同Al掺杂浓度（x = 0, 35, 60, 71, 84, 100%）的V_1?xAl_xN薄膜，并对其结构、电子特性、光学性能以及机械性能进行了系统研究。研究结果揭示了Al掺杂对VN材料特性的影响，尤其是在保持晶体结构稳定性的同时，显著提升了材料的硬度和光学性能。

在晶体结构方面，研究发现未掺杂Al的VN薄膜呈现出面心立方（fcc）结构，而当Al掺杂量达到71%时，材料仍然保持fcc结构。然而，当Al掺杂量进一步增加至84%及以上时，结构发生转变，呈现出与六方晶系（hcp）铝氮（AlN）相似的特性。这一发现表明，Al在VN中的掺杂范围具有较高的可调性，能够在较宽的范围内保持晶体结构的稳定性，从而为材料设计提供了重要的理论依据。同时，研究还指出，Al掺杂不仅影响了材料的晶体结构，还通过改变局部原子间的相互作用，增强了材料的结构稳定性。这可能与Al原子在晶格中所扮演的角色有关，其能够通过改变电子分布和键合特性，对材料的物理性能产生深远影响。

在电子结构方面，通过结合X射线吸收光谱（XAS）和高能X射线光电子能谱（HAXPES）测量，研究团队发现随着Al掺杂量的增加，材料的共价特性得到了增强。这可以从N K边XAS光谱的变化中得到验证，即随着Al浓度的提高，光谱特征向更低的能量区域偏移，表明氮的电子态发生了变化。此外，HAXPES测量进一步揭示了Al掺杂对原子间电荷转移的影响，特别是在V 2p、N 1s和Al 2s核心能级上的特征峰变化。这些变化不仅反映了材料中V-N和V-Al键的形成，还暗示了Al掺杂如何改变材料的电子行为，使其从金属态向半导体态过渡。特别是当Al掺杂量超过71%时，材料呈现出明显的半导体特性，这与Al含量的增加导致材料从金属态向半导体态转变的结论一致。

在光学性能方面，通过紫外-可见（UV-Vis）光谱分析，研究团队发现V_1?xAl_xN薄膜的光学带隙范围在3.4 eV到5 eV之间。这一带隙的变化主要与材料中Al的掺杂量相关，表明Al的引入能够有效调节材料的光学特性。带隙的变化不仅反映了材料电子结构的改变，还可能影响其在光电器件中的应用潜力。值得注意的是，当Al掺杂量达到71%时，材料表现出最佳的光学性能，其带隙约为3.4 eV，这一值在半导体材料中具有重要意义，尤其在光电子和光学器件领域。

在机械性能方面，纳米压痕测试（nanoindentation）显示，随着Al掺杂量的增加，材料的硬度显著提升。特别是在71% Al掺杂时，硬度达到了峰值，为16.8 GPa，接近AlN的硬度水平。这种硬度的提升主要归因于Al掺杂对材料微观结构的影响，包括晶粒尺寸的减小和晶格畸变的增加。研究还指出，Al的掺杂引入了更多的共价键，这有助于增强材料的机械强度。此外，研究团队通过分析H/E和H³/E²等机械参数，进一步揭示了Al掺杂对材料塑性变形能力的影响。这些参数的增加表明，Al掺杂不仅提高了材料的硬度，还增强了其抵抗塑性变形的能力，从而提升了整体的机械性能。

研究团队还探讨了Al掺杂对材料在不同环境下的行为影响。例如，当Al掺杂量增加时，材料的表面颜色发生了显著变化，从深灰色逐渐过渡到白色。这一变化与AlN的透明性密切相关，表明Al的引入可能改变了材料的光学特性，使其更适合用于某些光学应用。此外，研究团队还观察到，Al掺杂在一定程度上抑制了材料的氧化行为，这可能与Al在材料中形成稳定的共价键有关，从而提高了材料在高温或氧化环境下的稳定性。

通过综合分析晶体结构、电子结构、光学和机械性能，研究团队得出结论：Al在VN中的掺杂不仅能够显著提升材料的硬度，还能通过改变电子结构和键合特性，改善其光学性能和热稳定性。其中，71% Al掺杂的样品表现出最佳的综合性能，既保持了VAlN的面心立方结构，又具备与AlN相近的硬度，同时其光学带隙也处于较为理想的范围。这一发现为开发新型高硬度、高稳定性且具有良好光学性能的涂层材料提供了重要的参考价值。

此外，研究还指出，Al掺杂的范围较大，且在特定条件下（如室温沉积）能够有效延缓材料向更稳定的相（如hcp-AlN）转变的过程。这种现象可能与沉积过程中的非平衡生长条件和动态低能离子轰击有关，这些因素能够抑制晶格中可能发生的相分离，从而形成具有高Al溶度的稳定固溶体。研究团队还提到，未来可以通过进一步优化Al的掺杂浓度和沉积条件，探索更广泛的Al掺杂范围，以获得更优的材料性能。

综上所述，这项研究不仅揭示了Al掺杂对VN薄膜结构和性能的深远影响，还为开发高性能的过渡金属铝氮（TMAlN）涂层材料提供了新的思路。通过室温下的反应磁控溅射技术，研究人员成功实现了较高Al掺杂量的稳定固溶体，同时保持了材料的面心立方结构。这一成果对于推动高硬度、低摩擦系数和优异光学性能的材料在工业和电子领域的应用具有重要意义。