通过磁控溅射在硅和熔融石英上沉积的黑铝薄膜：微观结构、光学性能和热稳定性的比较

《Surface and Coatings Technology》：Black aluminum films deposited by magnetron sputtering on silicon and fused silica: Comparison of microstructure, optical properties, and thermal stability

黑铝薄膜通过直流磁控溅射在Si(111)和玻璃纤维瓷（FS）基底上沉积，系统比较了基底对薄膜微结构、光学性能及热稳定性的影响。发现Si基底薄膜更致密（晶粒尺寸小、表面粗糙度低），而FS基底随厚度增加出现 cauliflower-like 沉积形貌，导致反射率降低。XPS和XRD证实两种基底薄膜均保持面心立方Al结构，但FS基底表面氧化和氮原子偏聚更显著。热处理至500℃时，Al whiskers 在Si基底薄膜上形成，归因于热应力松弛和局部再结晶。研究揭示了基底选择对薄膜性能的关键调控作用，为功能器件开发提供新思路。

　　黑铝（Black Aluminum, B-Al）作为一种特殊的金属材料，因其独特的表面结构和优异的光学性能，近年来在多个领域展现出广泛的应用潜力。本文通过实验研究，探讨了在不同基底材料上沉积的B-Al薄膜的微观结构、光学性能以及热稳定性之间的关系。研究的主要目的是揭示基底对B-Al薄膜性能的影响，从而为优化其在功能性设备中的应用提供理论支持和实践指导。

B-Al薄膜的制备通常依赖于物理气相沉积（PVD）技术，其中直流磁控溅射（DC magnetron sputtering）是一种被广泛采用的方法。在该研究中，B-Al薄膜是在氮气/氩气混合气体环境中通过直流磁控溅射技术沉积在单晶硅（Si(111)）和非晶态熔融石英（Fused Silica, FS）基底上。薄膜的厚度范围从100纳米到1600纳米，研究者通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）以及光学反射率测量等手段，系统分析了基底对薄膜结构和性能的影响。

实验结果显示，无论是沉积在单晶硅还是熔融石英基底上的B-Al薄膜，其晶体结构均为面心立方（fcc）结构。然而，两种基底上的薄膜在微观结构和表面形貌上表现出显著差异。沉积在单晶硅基底上的B-Al薄膜呈现出更为致密的结构，晶粒尺寸较小，表面粗糙度较低。相比之下，沉积在熔融石英基底上的薄膜则表现出较大的晶粒和更高的表面粗糙度。随着薄膜厚度的增加，单晶硅基底上的薄膜逐渐呈现出类似菜花的表面形态，这种形态的出现与光学性能的改善密切相关。特别是，当厚度达到一定值时，薄膜的反射率显著降低，这表明其具有更强的光吸收能力。

研究者还发现，薄膜的光学性能可以通过晶粒尺寸作为独立于基底的指标进行预测。这意味着，在不考虑基底差异的情况下，晶粒尺寸的大小可以直接反映B-Al薄膜的光吸收能力。这一发现为后续的薄膜优化和设计提供了重要的参考依据。此外，通过XPS分析，研究者确认了薄膜表面存在大量的氧化物，并且氮元素在铝晶粒之间有明显的富集现象。这种氮的富集不仅影响了薄膜的微观结构，还对其光学性能和热稳定性产生了深远的影响。

在热稳定性方面，研究者通过扫描电子显微镜（SEM）和光热激发外发射（PTSE）等技术，对B-Al薄膜在高温下的行为进行了分析。实验结果表明，当温度升高到200摄氏度以上时，薄膜表面会开始出现螺旋状的铝丝（whiskers）。这种现象被认为是由于热诱导的应力释放和局部再结晶过程引起的。铝丝的出现不仅影响了薄膜的表面形态，还可能对其光学性能和机械性能产生负面影响。因此，热稳定性是评估B-Al薄膜在实际应用中是否适用的重要因素之一。

在薄膜沉积过程中，研究者还观察到基底对沉积速率的影响。沉积在单晶硅基底上的B-Al薄膜的沉积速率低于沉积在熔融石英基底上的薄膜。这一差异可能是由于两种基底材料的热导率和表面能不同所导致的。单晶硅基底的热导率较高，可能导致沉积过程中局部温度的升高，从而影响铝原子的迁移和成核过程。而熔融石英基底的热导率较低，可能在一定程度上抑制了铝原子的快速扩散，导致薄膜生长速率的提高。

研究还指出，B-Al薄膜的形成机制遵循斯特兰斯基-克拉斯坦诺夫（Stranski-Krastanov）生长模式。这种模式通常表现为在基底表面形成细小的柱状结构，随后在这些结构之间形成纳米级的孔隙。这种独特的结构不仅赋予了B-Al薄膜优异的光吸收性能，还使其在热稳定性方面表现出一定的优势。然而，研究者发现，当薄膜沉积在不同的基底上时，其生长行为和最终形成的结构可能会有所不同，这需要进一步的实验研究来揭示其背后的物理机制。

此外，B-Al薄膜的光学性能与其表面结构密切相关。实验中，研究者通过反射率测量发现，随着薄膜厚度的增加，其反射率逐渐降低，吸收率则相应提高。这种趋势在两种基底上都得到了验证，但沉积在单晶硅基底上的薄膜在相同厚度下表现出更低的反射率。这可能与单晶硅基底的表面特性有关，其表面能较低，可能有助于形成更致密的结构，从而减少光的反射。另一方面，熔融石英基底的表面能较高，可能促进铝原子的迁移和聚集，形成较大的晶粒和更高的反射率。

值得注意的是，B-Al薄膜在实际应用中的表现不仅取决于其光学性能，还与其热稳定性和机械性能密切相关。例如，在太阳能电池和光吸收器件中，薄膜需要在高温环境下保持其结构和性能的稳定性。因此，研究者对B-Al薄膜的热稳定性进行了详细分析，发现其在200摄氏度以上的温度范围内会逐渐出现铝丝的形成。这种现象虽然在一定程度上影响了薄膜的表面形貌，但同时也表明了B-Al薄膜在高温条件下的适应能力。通过进一步的热处理，研究者发现铝丝的形成可以通过控制温度和沉积条件进行调控，这为优化B-Al薄膜的热稳定性提供了新的思路。

在实验设计和数据分析方面，研究者采用了多种先进的测量技术，确保了实验结果的准确性和可靠性。例如，扫描电子显微镜（SEM）用于观察薄膜的微观结构和表面形貌，X射线光电子能谱（XPS）用于分析薄膜的化学组成，X射线衍射（XRD）用于确定薄膜的晶体结构，而光学反射率测量则用于评估薄膜的光吸收能力。这些技术的综合应用，使得研究者能够从多个角度全面了解B-Al薄膜的性能特征。

研究还提到，B-Al薄膜的制备过程中引入氮元素是关键因素之一。通过控制氮气与氩气的比例，研究者能够在沉积过程中实现对氮元素在薄膜中的分布进行调控。在之前的实验中，研究者已经发现，氮元素的富集能够有效抑制铝原子的聚集，从而促进B-Al薄膜的形成。这一发现为后续的薄膜优化提供了重要的理论依据，同时也表明了氮元素在B-Al薄膜中的作用不仅仅是作为掺杂剂，还可能在薄膜的微观结构形成过程中起到关键的调控作用。

从实际应用的角度来看，B-Al薄膜因其优异的光学性能和热稳定性，被认为是一种极具潜力的材料。在太阳能电池领域，B-Al薄膜可以作为高效的光吸收层，提高能量转换效率。在光电子器件中，其低反射率和高吸收率使其成为理想的抗反射涂层。此外，由于B-Al薄膜具有较高的表面积与体积比，它在气体吸附、电化学传感和催化反应等方面也展现出良好的应用前景。例如，基于B-Al薄膜的石英晶体微天平（QCM）传感器已经被证明在提高检测灵敏度方面具有显著优势。

研究者还提到，B-Al薄膜的制备和应用需要考虑其在不同环境下的表现。例如，在高温环境下，薄膜的结构可能会发生变化，影响其光学和热性能。因此，对B-Al薄膜在不同温度下的行为进行深入研究，有助于更好地理解其在实际应用中的稳定性。此外，基底材料的选择也是影响B-Al薄膜性能的重要因素之一。不同的基底可能会导致不同的沉积速率、结构特征和热行为，因此，选择合适的基底对于实现B-Al薄膜的最优性能至关重要。

综上所述，B-Al薄膜作为一种新型的黑金属材料，具有独特的表面结构和优异的光学性能，其在多个领域的应用潜力值得进一步探索。通过实验研究，研究者揭示了基底对B-Al薄膜性能的影响，为后续的薄膜优化和应用拓展提供了重要的理论支持。未来的研究可以进一步探讨不同基底对B-Al薄膜性能的具体影响机制，以及如何通过调整沉积条件来优化其性能。此外，还可以结合先进的模拟技术和实验手段，对B-Al薄膜的微观结构和光学性能进行更深入的分析，以期实现更高效、更稳定的光吸收材料。