SiON基底上多孔铝薄膜的形貌调控与光电性能研究及其宽谱吸收应用

本研究针对宽谱高效吸收材料的设计需求，通过磁控溅射技术在SiON基底上制备多孔铝薄膜，系统研究了沉积模式对薄膜形貌（Stranski-Krastanov生长机制）、电学性能（双渗流阈值现象）及光学特性（1.2–4.2 μm波段82%吸收率）的影响，揭示了氮元素对柱状晶簇/孔隙形成的调控作用，为开发热稳定性达200℃的多层Al/SiON超材料吸收器提供了新思路。

　　

在电磁波吸收材料领域，如何实现宽谱带、高效率的光热转换一直是研究者面临的挑战。传统金属薄膜因高反射率难以满足需求，而微纳结构多孔材料展现出独特优势。铝（Al）因其低成本、高丰度和优异的耐高温特性成为理想候选，但其在硅氧氮化物（SiON）基底上的生长机制与性能调控尚不明确。俄罗斯科学基金会支持的研究团队通过创新性的实验设计，揭示了多孔铝薄膜的形貌演化规律及其光电性能关联，相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》。

研究采用射频磁控溅射（RF magnetron sputtering）技术，在25-110℃温度区间通过连续/多步沉积模式制备Al/SiON薄膜。关键方法包括：实时电阻监测揭示渗流阈值、原子力显微镜（AFM）和扫描电镜（SEM）表征三维形貌、紫外-可见-近红外光谱（UV-VIS-NIR）测试光学性能。

【实验结果】

1. 电学性能与生长机制：电阻-时间曲线呈现双渗流阈值特征，临界时间间隔t_w
   内形成60 nm级孔隙和柱状晶簇，证实Stranski-Krastanov生长模式。多步沉积可延长t_w
   并维持形貌稳定性。

2. 基底效应：对比SiO₂
   基底，SiON的氮元素通过钉扎效应促进缺陷（孔隙/空位簇）形成，导致柱状生长和低反射率（<4%）。

3. 光学性能：320 nm厚Al/SiON多层堆栈在1.2–4.2 μm波段实现82%吸收率，层数增加导致吸收带展宽，200℃下保持热稳定性。

【结论与意义】
该研究阐明了SiON基底上铝薄膜的孔隙形成动力学机制，提出氮介导的界面能调控是获得宽谱吸收器的关键。多步沉积策略可精确控制薄膜形貌，所开发的Al/SiON堆栈兼具优异光学性能和热稳定性，为航天热控、红外隐身等领域的器件设计提供了新材料体系。Olga Naumova团队的工作为理解金属-介质界面生长提供了新视角，其方法学普适性可拓展至其他黑色金属（如Au、Ag）体系的研究。