氮化铜的低温分解效应及其纳米尺度有序结构飞秒激光制备研究

Copper nitride is a metastable semiconductor with an indirect band gap of 1.2-1.8 eV. Copper nitride is quite stable at room temperature, but it will be decomposed at a low temperature.This characteristic indicates good application prospects in stereo light storage, photonic crystal and other fields. This project is using femtosecond laser to study the low temperature decomposition characteristics of copper nitride, looking for a new principle and new methods to obtain composite materials with orderly nanometer scale structures. The growth mechanism of copper nitride films with high quality will be studied. The effect of femtosecond laser on copper nitride, microscopic mechanism of phase change of copper nitride will be revealed. Nonlinear optical properties and thermal decomposition characteristics of copper nitride will be clarified, and the formation mechanism of nanometer scale composite materials based on femtosecond laser processing will bu put forword. Interface characteristics of nanometer scale copper/nitriding copper composite material will be researched, and two dimensional and three dimensional copper/ copper nitride nano structure composite material will be designed and prepared, which will supply a new material for applications in stereo optical storage and photonic crystal.

氮化铜是一种间接半导体材料，其光学带隙在 1.2-1.8 eV左右，室温下相当稳定，但其热分解温度较低，这一特性预示在立体光存储和光子晶体等领域有很好的应用前景。本项目拟利用飞秒激光，研究氮化铜的低温分解特性，寻找一种有可能实现纳米尺度有序结构复合材料的新原理与新方法；探明高质量氮化铜薄膜的生长机理；揭示飞秒激光与氮化铜的相互作用及氮化铜分解相变的微观机理；阐明氮化铜薄膜的非线性光学性质与热分解特性；提出氮化铜纳米尺度的飞秒激光加工机理；研究纳米尺度的铜/氮化铜复合材料的界面特性等基础问题，从而设计和制备二维和三维铜/氮化铜纳米结构复合材料，为立体光存储和光子晶体等应用领域提供一种新型复合结构材料。

氮化铜是一种间接半导体材料，具有开放性的晶体结构。其光学带隙在 1.2~1.8 eV左右，且对红外光和可见光的反射率与铜有很大的差别。Cu3N室温下稳定，但热分解温度比较低，加热、光辐照等都极易诱导Cu3N薄膜分解成单质铜。这些特性使得Cu3N薄膜在光存储、光电传感器、微型器件、可穿戴元件等方面存在潜在应用前景。飞秒激光作为超短脉冲激光，在微加工领域，由于其极短的作用时间和极高的光强密度，在与物质的相互作用过程中几乎不出现热扩散和热损伤现象，可得到高精度、高质量的三维微纳结构。本项目重点开展了氮化铜薄膜的组分，微结构控制生长机理、强激光下的氮化铜薄膜的非线性光学性质与热分解特性、飞秒激光和氮化铜薄膜的相互作用机理、基于氮化铜薄膜的纳米尺度飞秒激光制造原理的研究，最终获得制备铜/氮化铜复合结构。.研究发现磁控溅射制备氮化铜薄膜时，大功率有助于Cu3N[111]晶向择优生长。随着溅射功率增大，薄膜表面粗糙度增大，且在紫外区域光的吸收增强，透射率减低。当功率为65和80W时，氮化铜薄膜反射率最低，较适合于制备光学存储器。利用氩/氮混合气体溅射制备薄膜，氮/氩比大于0.4时，方能形成Cu3N相，并且随着氮分压的增加，Cu3N薄膜的择优生长方向从[111]向[100]方向发生转变。氮/氩比为0.6时，薄膜透过率最高，反射率最低。采用第一性原理计算了氮化铜的晶体结构和光学性质。研究发现，Cu24N8超晶格中掺杂少数N原子，有助于降低反射率，但掺杂的N原子过多，反射率不降反升。氮化铜的结构和光学性质研究为下一步飞秒激加工研究奠定了材料基础。.随之利用飞秒激光辐照氮化铜薄膜，研究其结构和性能的演变过程。研究发现，由于氮化铜独特的低温分解特性，飞秒激光辐照Cu3N薄膜时，存在烧蚀和分解两种阈值，且在一定激光强度下，分解和烧蚀会同时进行。另外，飞秒激光诱导氮化铜分解过程中，扫描速度和激光功率有叠加效果。当激光能量密度在烧蚀和分解阈值之间时，氮化铜能发生相变，形成单质铜。否则不反应，或薄膜被烧蚀掉。同时飞秒激光的偏正状态和偏正方向对氮化铜分解相变也有着很大的影响。圆偏振光更适合用于制备微纳结构。薄膜厚度小于100nm，厚度对飞秒激光诱导氮化铜的分解的影响比较明显。衬底材料对氮化铜的激光分解影响甚微。基于以上的研究，最终我们实现了线宽小于5微米的Cu3N/Cu微纳结构。