超强激光科学卓越创新简报
(第五百八十二期)
2024年12月20日
上海光机所在HfO2-Al2O3混合物薄膜材料研究方面取得进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部薄膜光学研发中心朱美萍研究团队与先进激光与光电功能材料部研究团队开展合作研究，在HfO2-Al2O3混合物薄膜材料研究方面取得进展。相关研究成果以“Effect of ternary compound on HfO2-Al2O3 mixture coatings revealed by solid-state NMR and TOF-SIMS”为题发表于《半导体加工中的材料科学》（Materials Science in Semiconductor Processing）。
典型的光学薄膜通常由高折射率材料层和低折射率材料层交替叠加而成。由于适合光学薄膜的材料有限，薄膜膜系设计时存在折射率和光学带隙上的选择限制。混合材料不仅具备连续可调的折射率和光学带隙，更展现出优于单一材料的低损耗和高激光损伤阈值特性，逐渐应用于高功率激光薄膜元件以及高精密光学系统中。现有的研究更多侧重于混合材料对薄膜光学、应力等宏观性能的影响，对于混合对薄膜材料本身的微观性能研究较少。
在这项工作中，研究人员聚焦于在抗激光损伤性能上表现出色的HfO2-Al2O3混合物薄膜，通过改变薄膜的混合比例以及改变薄膜的退火温度来研究HfO2-Al2O3混合物薄膜的内部结构与化学成份的演变。研究结合了多种表征技术，包括核磁共振谱（MAS-NMR）、飞行时间二次离子质谱 (TOF-SIMS)、X 射线光电子能谱 (XPS)、X射线衍射 (XRD)和透射电子显微镜 (TEM)。实验结果表明，HfO2的混入使得Al2O3薄膜由以六配位铝为主的连接结构转变为四五六配位铝共存的连接结构，且混合物内出现包含Hf-O-Al的三元化合物，其含量与五配位铝（AlV）的含量呈正相关，并进一步影响 HfO2-Al2O3混合物薄膜的润湿性。该研究有助于进一步理解HfO2-Al2O3混合物薄膜材料的微观结构，为新型薄膜研发提供材料基础。
相关工作得到了国家自然科学基金委、上海市优秀学术带头人计划、东方英才计划领军项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。
图1. （a）HfO2-Al2O3混合物薄膜的示意图；（b）1:1混合的HfO2-Al2O3混合物薄膜在不同退火温度下的Al配位分布情况；（c）在不同退火温度下五配位Al含量与三元化合物Hf-O-Al含量的变化。
图 2. (a) 接触角仪中拍摄的水在 HfO2-Al2O3混合物薄膜上的照片以及 (b) 相应的水接触角。(c) M2 样品的水接触角与大气中退火温度的关系。
