近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部薄膜光學研發中心朱美萍研究團隊與先進激光與光電功能材料部研究團隊開展合作研究，在HfO2-Al2O3混合物薄膜材料研究方面取得進展。相關研究成果以“Effect of ternary compound on HfO2-Al2O3 mixture coatings revealed by solid-state NMR and TOF-SIMS”為題發表于《半導體加工中的材料科學》(Materials Science in Semiconductor Processing)。
 

　　典型的光學薄膜通常由高折射率材料層和低折射率材料層交替疊加而成。由于適合光學薄膜的材料有限，薄膜膜系設計時存在折射率和光學帶隙上的選擇限制。混合材料不僅具備連續可調的折射率和光學帶隙，更展現出優于單一材料的低損耗和高激光損傷閾值特性，逐漸應用于高功率激光薄膜元件以及高精密光學系統中。現有的研究更多側重于混合材料對薄膜光學、應力等宏觀性能的影響，對于混合對薄膜材料本身的微觀性能研究較少。
 

　　在這項工作中，研究人員聚焦于在抗激光損傷性能上表現出色的HfO2-Al2O3混合物薄膜，通過改變薄膜的混合比例以及改變薄膜的退火溫度來研究HfO2-Al2O3混合物薄膜的內部結構與化學成份的演變。研究結合了多種表征技術，包括核磁共振譜(MAS-NMR)、飛行時間二次離子質譜 (TOF-SIMS)、X 射線光電子能譜 (XPS)、X射線衍射 (XRD)和透射電子顯微鏡 (TEM)。實驗結果表明，HfO2的混入使得Al2O3薄膜由以六配位鋁為主的連接結構轉變為四五六配位鋁共存的連接結構，且混合物內出現包含Hf-O-Al的三元化合物，其含量與五配位鋁(AlV)的含量呈正相關，并進一步影響 HfO2-Al2O3混合物薄膜的潤濕性。該研究有助于進一步理解HfO2-Al2O3混合物薄膜材料的微觀結構，為新型薄膜研發提供材料基礎。
 

　　相關工作得到了國家自然科學基金委、上海市優秀學術帶頭人計劃、東方英才計劃領軍項目、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。
 

　　圖1. (a)HfO2-Al2O3混合物薄膜的示意圖；(b)1:1混合的HfO2-Al2O3混合物薄膜在不同退火溫度下的Al配位分布情況；(c)在不同退火溫度下五配位Al含量與三元化合物Hf-O-Al含量的變化。

 

　　圖 2. (a) 接觸角儀中拍攝的水在 HfO2-Al2O3混合物薄膜上的照片以及 (b) 相應的水接觸角。(c) M2 樣品的水接觸角與大氣中退火溫度的關系。