通过反应磁控溅射法制备的NbN薄膜中的晶体结构演变

《Thin Solid Films》：Crystallographic texture evolution in NbN thin films produced by reactive magnetron sputtering

晶体生长与表面能竞争驱动NbN薄膜织构演变，通过反应磁控溅射在573-773K基底温度下制备薄膜，发现立方相(111)在300nm以下主导， thicker时转为(200)且高温下出现六方相(100)，与TiN模型对比验证了应变能主导的厚度依赖性织构转变机制。

　　近年来，随着材料科学和工程技术的发展，晶体结构与性能之间的关系成为研究的重要方向。特别是在薄膜材料领域，如氮化铌（NbN）这样的过渡金属氮化物（TMN）因其在超导设备、防腐涂层以及机械性能方面的应用而受到广泛关注。NbN薄膜不仅具备较高的硬度，还能在化学腐蚀环境中保持稳定，使其成为许多工业和科研领域的重要材料。此外，NbN在低温下表现出显著的超导特性，其临界温度可达19.5 K，与经典的巴丁-库珀-施里弗（BCS）超导材料相当。因此，深入研究NbN薄膜的晶体结构演化机制，对于优化其性能和拓宽应用范围具有重要意义。

在薄膜沉积过程中，晶体取向的形成和演变直接影响材料的物理性质和功能表现。本文通过实验手段，探讨了在不同厚度和基底温度条件下，NbN薄膜的晶体结构演化过程。实验采用了反应性磁控溅射技术，在基底温度为573 K、673 K和773 K的条件下，制备了NbN薄膜。研究发现，薄膜的晶体结构在沉积过程中经历了显著的变化，从初始的立方结构（111）逐渐向立方结构（200）转变，而当基底温度达到773 K时，还观察到了六方结构（100）的出现。这一现象表明，沉积条件对薄膜的晶体结构具有决定性影响。

在薄膜技术中，过渡金属氮化物因其优异的物理和化学性质而被广泛研究。例如，钛氮（TiN）作为一种常见的涂层材料，因其高硬度和良好的热传导性能，被广泛应用于切割工具中。TiN薄膜通常表现出面心立方（FCC）结构，并具有（111）和（200）两种主要的晶体取向。一般情况下，在薄膜生长的早期阶段，（200）取向占主导地位，而在达到一定临界厚度后，（111）取向逐渐占据主导地位。这一现象的解释涉及多个理论模型，其中最为普遍接受的是基于应变能和表面能竞争的模型。该模型认为，在薄膜生长初期，表面能对结构的形成起主导作用，而随着厚度的增加，应变能的影响逐渐增强，从而促使（111）取向的形成。

此外，还有其他理论模型被用于解释晶体取向的演变。例如，Van der Drift提出的模型认为，晶体取向的形成与生长速率有关，其中生长速率较高的取向更容易维持。这一模型在解释某些薄膜材料的结构演化方面表现出一定的适用性。然而，对于NbN薄膜的结构演化，目前尚未建立一个适用于所有TMN材料的通用模型。因此，本文在总结TiN相关研究的基础上，进一步探讨了这些模型在NbN薄膜中的适用性。

在实验过程中，NbN薄膜的制备条件对晶体结构的形成具有重要影响。例如，基底温度的改变会影响薄膜的生长速率和结构演化。研究发现，在较低的基底温度下，薄膜主要呈现立方结构（111），而在较高的基底温度下，立方结构（200）逐渐占据主导地位，甚至在某些情况下观察到六方结构（100）的出现。这表明，基底温度是调控薄膜晶体结构的关键因素之一。同时，氮气流量、氩气分压、靶材与基底之间的距离以及基底偏压等参数，也对薄膜的晶体结构和性能产生显著影响。

为了进一步理解这些因素对薄膜结构的影响，本文还分析了不同沉积参数对NbN薄膜性能的影响。例如，氮气流量的增加会导致薄膜中六方结构（100）的出现，而基底偏压的提高则有助于改善薄膜的硬度和附着力。这些实验结果表明，沉积参数的优化对于获得理想的晶体结构和性能至关重要。因此，在薄膜制备过程中，需要综合考虑各种参数，以实现最佳的材料性能。

值得注意的是，尽管上述理论模型在解释TiN的结构演化方面取得了较好的效果，但在NbN薄膜的制备过程中，这些模型的适用性仍需进一步验证。因此，本文通过实验数据，对这些模型进行了分析和讨论。研究发现，在某些情况下，NbN薄膜的结构演化可能受到其他机制的影响，如生长过程中的晶格重构、晶核形成或晶格取向的改变。这些机制的相互作用可能导致了不同的晶体结构和性能表现。

为了进一步验证这些机制，本文还对不同沉积条件下的NbN薄膜进行了详细分析。例如，在较低的基底温度下，薄膜主要呈现立方结构（111），而在较高的基底温度下，立方结构（200）逐渐占据主导地位。同时，六方结构（100）的出现与基底温度和氮气流量密切相关。这些实验结果表明，沉积条件对薄膜的结构演化具有决定性影响，因此在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的沉积参数。

此外，本文还讨论了NbN薄膜在不同沉积条件下的性能表现。例如，在较低的基底温度下，薄膜的硬度和附着力较低，而在较高的基底温度下，这些性能得到显著提升。同时，氮气流量的增加不仅影响了薄膜的晶体结构，还对薄膜的硬度和附着力产生了影响。这些实验结果表明，沉积参数的优化对于获得理想的薄膜性能至关重要。

综上所述，本文通过实验研究，探讨了NbN薄膜在不同厚度和基底温度条件下的晶体结构演化过程。研究发现，沉积参数对薄膜的结构和性能具有重要影响，因此在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的沉积条件。同时，本文还分析了现有的理论模型在NbN薄膜中的适用性，并指出需要进一步研究以建立更全面的模型。这些研究结果为未来NbN薄膜的制备和应用提供了重要的理论依据和实验支持。