反应脉冲激光沉积调控氮化铌超薄膜相组成与光学性能研究

本研究针对氮化铌(NbNx)超薄膜的相控难题，通过反应脉冲激光沉积(PLD)技术系统研究氮气分压(pN2)对薄膜结构性能的调控规律。研究发现随着pN2从8 Pa增至20 Pa，薄膜从γ-NbN0.64/ε-NbN混合相转变为纯ε-NbN相，晶粒尺寸从12 nm减小至3.6 nm，并展现出优异的红外反射特性（红外区吸光度近零）。该研究为设计高性能光电涂层提供了重要理论依据和技术支撑。

　　

在材料科学的前沿领域，氮化铌(NbN)超薄膜正以其卓越的物理化学性能引发广泛关注。这种材料不仅具备优异的耐腐蚀性、高硬度和良好的热稳定性，还能在高温腐蚀环境中保持性能稳定，因此在医疗器材、食品加工和汽车工业等领域展现出巨大应用潜力。更引人注目的是，其在射频腔体、微电子器件以及高强度磁体等高端技术领域也扮演着重要角色。然而，要实现这些应用，精确控制薄膜的相组成和微观结构成为关键挑战。

目前主流的磁控溅射技术虽然广泛应用，但在相纯度和微观结构控制方面仍存在局限。脉冲激光沉积(PLD)等替代方法虽然能够实现更精确的厚度调控和相纯度提升，但关于氮气环境对超薄膜相分布和性能影响的研究仍然不足。特别是氮气分压(pN₂)如何调控NbN_x超薄膜的相演变过程，以及这种演变对薄膜光学性能的影响机制，尚待深入探索。

为了解决这些问题，来自墨西哥国立自治大学的研究团队开展了一项系统研究，他们通过精确调控PLD过程中的氮气分压，成功制备出一系列具有不同相组成的NbN_x超薄膜，并深入分析了其结构特征和光学性能。这项研究成果发表在《Mental Health》期刊上，为设计新一代氮化铌基光电器件提供了重要的理论指导和技术支持。

研究团队采用了多种先进表征技术开展系统分析。他们使用 grazing-incidence X射线衍射(GI-XRD)和Scherrer分析研究晶体结构和晶粒尺寸变化；通过X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学状态和价带电子结构；利用拉曼光谱研究声子动力学特征；采用紫外-可见分光光度计测量光学响应特性。所有薄膜都在SiO₂/Si(100)基底上制备，保持了实验条件的一致性。

3. Results and discussion

X射线衍射分析揭示相变规律

通过GI-XRD分析发现，所有薄膜都呈现两种共存相：四方晶系的γ-NbN_0.64和六方晶系的ε-NbN。随着pN₂从8 Pa增加到20 Pa，ε-NbN相的体积分数从56.3%显著增加到98.9%，表明更高的氮化压力有利于六方相的形成。Scherrer方程计算显示平均晶粒尺寸从11.89 nm线性减小到3.63 nm，这种晶粒细化现象归因于氮原子掺入铌晶格引起的晶格膨胀。

XPS分析证实表面化学状态变化

XPS分析显示所有薄膜表面都存在约5 nm厚的氧化层(Nb₂O₅)。随着pN₂增加，Nb₂O₅的相对含量从9.01%下降到3.25%，表明更高的氮化压力有效抑制了表面氧化。N 1s和Nb 3d_5/2能级之间的结合能分离从192.80 eV减小到192.6 eV，说明Nb-N之间的电荷转移增强，共价键特性减弱。

显微结构显示厚度与形貌演变

SEM显微图像显示薄膜厚度随着pN₂增加而从68 nm减小到32 nm，这是由于溅射物种与氮原子碰撞增加导致动能降低所致。表面形貌分析表明，较低氮化压力下晶粒较大，而较高压力下晶粒更细小且表面更光滑。

拉曼光谱确认多晶特性

拉曼光谱在300 cm^-1附近出现尖锐特征峰，对应纯ε-NbN相，这与XRD结果相互印证。所有薄膜在300 cm^-1以下波数范围都显示出宽峰，归属于NbN的横向声子(TA)和纵向声子(LA)一级模，证实了薄膜的多晶特性。随着pN₂增加，拉曼峰变窄并向高波数移动，反映了相纯度的提高。

光学性能展现红外反射潜力

紫外-可见吸收光谱显示，所有薄膜在紫外区(约200 nm)到可见光区(约700 nm)都呈现吸收增强趋势，且吸收强度随pN₂增加而系统性地增强。在红外区域，薄膜吸收率急剧下降到接近零，表明其对红外辐射具有强反射能力。Tauc图分析显示光学带隙从1.689 eV略微增加到1.697 eV，这种微小变化可能与氧化表面层的贡献有关。

4. Conclusions

本研究通过反应脉冲激光沉积技术成功实现了NbN_x超薄膜的相组成精确调控。研究发现氮气分压是控制薄膜相变的关键参数：随着pN₂从8 Pa增加到20 Pa，薄膜从γ-NbN_0.64/ε-NbN混合相转变为纯ε-NbN相，晶粒尺寸从12 nm减小到3.6 nm。表面化学分析证实所有薄膜表面都存在薄氧化层(约5 nm)，但氧化程度随氮化压力增加而降低。光学性能研究表明这些薄膜在红外区域表现出近乎零吸收的特性，意味着具有优异的红外反射能力。

这些发现具有重要的科学意义和应用价值：首先，研究建立了氮气分压与NbN_x超薄膜相组成之间的定量关系，为精确控制薄膜结构提供了理论依据；其次，发现了氮化压力对抑制表面氧化的积极作用，为解决超薄膜表面污染问题提供了新思路；最重要的是，发现了这些薄膜在红外区域的强反射特性，使其成为理想的红外反射涂层材料，在聚光太阳能发电和光伏组件过热防护等领域具有广阔应用前景。

该研究不仅深化了对氮化铌超薄膜相变机理的理解，而且为设计高性能光电功能涂层提供了重要的材料基础和技术支撑。通过系统研究氮化压力对薄膜结构、化学、电子、振动和光学性质的协同影响，为未来开发新型氮化铌基光电器件和防护涂层指明了方向。