氮化钛(TiN)薄膜光学性质的研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)郑州大学材料物理教育部重点实验室 作者:张水

  介绍了拟合氮化钛薄膜光学常数常用的色散模型,且结合第一性原理计算出的能带结构和态密度给予阐述;概括了氮化钛在表面等离子体共振方面的研究进展和掺杂对于氮化钛薄膜光学性能的影响;并且指出了氮化钛在节能镀膜玻璃方面的应用。

  TiN 薄膜以其制备工艺成熟稳定、价格低廉以及耐磨耐腐蚀特性好,而广泛应用于切削工具和机械零件的硬质涂层保护膜。近年来,随着科技的发展和工业的需求,TiN 在MEMS、太阳能电池的背电极、燃料电池、纳米生物技术、节能镀膜玻璃等领域的应用都有相关的报道。关于

  TiN 薄膜的研究已经从原有的注重力学机械性能,逐渐转向光电性能;其中关于薄膜光学性质的研究报道已有很多,本文将综述已有的研究成果,着重从物理原理的角度解析TiN 薄膜的光学性质。

TiN 薄膜的光学性质

TiN 的能带结构和态密度

  TiN 属于面心立方结构,晶格中参与成键的价电子有过渡族金属Ti 的3d24s2 和N 的2p3。通过采用缀加平面波方法和第一性原理计算可以得出TiN 的能带结构和态密度,进而计算出材料中电子的填充态和未填充态,再根据跃迁的选择定则,计算出跃迁矩阵元和吸收系数,从而得到介电函数的虚部;再根据Kramers- Kronig 变换关系就可得出介电函数的实部,据Maxwell 关系式就可以确定材料的折射率和消光系数。所以分材料的能带结构和态密度对材料光学性质的影响就显得非常重要。

TiN 的能带结构图

  图1 TiN 的能带结构图

TiN 的态密度图

  图2 TiN 的态密度图

  根据跃迁选择定则和计算出的TiN 能带结构显示,跃迁过程将会发生在:Γ25’→Γ12 (~1 eV),Γ15→Γ12(~2.3 eV),X5→X2(~3.9 eV),L3→L3 (~5.6 eV)。通过图2 可以看出,N 原子的s 轨道呈现出强烈的局域化特征;Ti 原子的d 轨道由于晶体场的作用,部分简并被消除,在费米能级下2.5 eV左右,劈裂成了三重简并的t2 态(dxy,dyz,dxz)和二重简并的e 态(dz2,dx2- y2);且N 原子的p 轨道和Ti 原子的d 轨道产生强烈的杂化。能带的交叠和N 原子p 轨道和Ti 原子d 轨道的杂化,使得晶格中的Ti- N 键既类似于金属键,又类似于共价键和离子键。

  本文首先阐述了TiN 的能带结构和态密度;在此基础上讨论了薄膜的光学色散模型,并且给出常用的色散模型;摘述了TiN 薄膜在表面等离子体共振方面的研究进展;最后描述掺杂在TiN薄膜光学性能方面的研究现状和关于薄膜光学性能的若干应用。当然,关于TiN 薄膜光学性质的研究还有很多问题需要探讨,如:TiN 薄膜的激光损伤阈值、掺杂对TiN 薄膜表面等离子体共振特性的影响等。

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