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摘要：以直流反应磁控溅射方法为制备手段，选择Cr、Al为靶材，以氩气为工作气体，以氮气为反应气体，在纳钙玻璃基底上制备了太阳光谱选择性吸收的薄膜Cr1-xAlxN，使之具有良好的光谱选择吸收特性。研究发现，在其他工艺参数不变的情况下，溅射气压在0.3-0.5Pa范围内，都能制备出择优取向的立方相Cr1-xAlxN。而在LN2：LAr=2:1，溅射气压为0.5Pa，工作温度为500℃，Cr靶溅射功率：Al靶溅射功率=3:2时，制备的Cr1-xAlxN薄膜致密、均匀，结晶性好，电阻率最低为。制备的Cr1-xAlxN薄膜在可见光区吸收率都能达到50%以上，且在红外光区（900nm~2100nm）达到100%，说明其在红外光区具有极低的发射率，符合太阳光谱选择性吸收特性。可用于太阳集热器的吸收表面，并可直接作为光热转换材料。
中图分类号：TM142文献标识码： A
0引言
太阳能的利用在近几十年内一直讨论火热，中高温太阳能吸收薄膜正是目前探讨的重点，其研制与工业应用成为国内外学者正在攻克的难关。许多国家都在积极研究性能优良、成本低廉、工艺简单、稳定性良好的中高温太阳光谱选择性吸收薄膜。
磁控溅射技术是太阳光谱选择性吸收薄膜研制的其中一种方法。始于上世纪70年代，随着逐步发展、完善成一种新型的溅射技术，而后太阳能选择性吸收薄膜的制备也引入了该种方法。CrxN具有金属属性，是一种较好的导体，其涂层具有极高的热稳定、耐腐蚀好、对有色金属及其合金化学惰性好等特点。
作为太阳能光谱选择薄膜，实验过程中的衬底温度、靶间距离、溅射功率、工作压力、氩氮流量比、沉积时间等工艺参数都将对所制薄膜的结构特性、光学性能与电学性能产生影响。
本文主要讨论在一定的溅射压强下，以不同的氮氩流量比、Cr靶与Al靶溅射功率沉积制备Cr1-xAlxN薄膜，以及其相关性能。
I 实验
1.1 样品的制备
本实验采用沈阳聚智真空设备有限公司出产的JZCK-450 多功能磁控溅射镀膜设备，以直径Φ50mm，纯度为99.99%的金属Cr靶、纯度为99.99%的金属Al靶为溅射靶材，以钠钙玻璃为衬底，纯度为99.99%的氩气作为工作气体，纯度为99.99%的氮气作为反应气体，使用直流反应磁控溅射方法，通过选择合理的溅射气压，在钠钙玻璃衬底上沉积Cr1-xAlxN薄膜。实验前需要使用丙酮、酒精和去离子超声波各10min对钠钙玻璃基地进行清理，并使用高压氮气吹干，置于旋转样品台上，待到实验腔体内真空度达到7.5×10-4Pa后，先后通入氩气和氮气。保持稳定的样品旋转速度，以获得均匀的Cr1-xAlxN薄膜。选择不同的氮氩流量比、实验温度、靶材的功率等参数来获得不同特性的Cr1-xAlxN薄膜，具体工艺参数如表1所示。
表1Cr1-xAlxN薄膜工艺参数表,
Table1Sputtering parameters for deposing Cr1-xAlxN thin films
1.2样品的测试
薄膜样品的晶体结构采用日本生产的X射线衍射仪D8 ADVANCE，测试分析了实验制得的Cr1-xAlxN薄膜的物相结构。薄膜在可见-近红外光谱范围的反射率采用了日本岛津紫外-可见-近红外分光光度计来测试。样品的方块导电率采用实验万用表进行测试。
2 结果分析
经过反复的实验及沉积得到了在以上工艺条件下的各样测试结果。 Cr1-xAlxN薄膜样品的XRD图谱如图1所示.。在分光光度计的测试中，各项性能最佳的为4#样品，其具有较好的吸光效果，其部分波段的吸收率图谱如图2所示。4#样品的XRD图谱如图3所示。
图1样品的X射线衍射图
Fig.1 X-ray diffraction spectra of sample
由图1可知，按照表1提供的工艺参数沉积的样品当中，当氮气流量充足时，生长成为多晶结构的CrN相或Cr(Al)N相；不同的Cr与Al原子比例，衍射峰相对强度出现差别，即出现不同的晶粒取向；衍射峰位发生移动。通过3#样品的结果，可以看出当氮气流量较小时，即氮气不足时，生长成为Cr3N。当氮气流量较小时，增大Cr靶材功率，为Cr3N相和金属Cr相的混合物。在5#样品的工艺条件下，衍射峰尖锐程度最高，结晶性好，晶粒较大。
图24#样品的可见- 红外吸收光谱
Fig.2Visible and infrared absorption of sample 4#
图34#样品的X射线衍射图
Fig.3 X-ray diffraction spectra of sample3
本次实验制备的各薄膜在可见光区吸收率都达到50%左右，在红外光区达到100%，说明Cr1-xAlxN薄膜在红外光区具有极低的发射率，其中4#样品在Cr靶溅射功率：Al靶溅射功率为3：2；LN2:LAr为2:1时，制备的Cr1-xAlxN薄膜在350nm~800nm区域内吸收率达到55%以上，在波长900nm时其红外反射率已经达到100%，此薄膜对于太阳光谱的反射具有很好的选择性，对可见光、接近可见光波长的近红外区有较低的反射率，而对波长较长的红外光有较高的反射率，即该薄膜在可见光半透明而在红外光区呈高反射。
3结论
实验表明，在氮氩流量比为2:1，铬靶功率为120W，铝靶功率为80W，基底温度为500℃，沉积时间为2h，溅射气压为0.5Pa，样品台旋转速度为12r/min时，沉积的薄膜均匀、致密，呈银灰色，结晶性良好，导电性能优，电阻率最低为。在可见-近红外光区对太阳辐射的平均吸收率为55%，最高红外反射率为100%，具有良好的太阳光谱选择性。在以上工艺参数基础上，适当增加氮气流量，减小铝靶的功率，可以获得性能优良的以CrN为基质的Cr1-xAlxN薄膜。
参考文献
[1] Y.H.Shin,Y.Shimogaki.Diffusion barrier property of TiN and TiN/Al/TiN films desposited with FMCVD for Cu interconnection in ULSI[J].Science and Technology of Advanced Materials.2004,5(4)：399-405.
[2] Nunes. C, Teixeira.V.Graded selective coatings based on chromium and titanium oxynitride[J]. Thin Solid Films, 2003,442:173-178．
[3] Qi Chu Zhang. Recent progress in high-temperature solar selective coatings[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2000,62:63-74．
[4]付淑英.太陽光谱选择性吸收薄膜研究综述[J].新余高专学报,2009，14(3)：92-94.
[5]崔志臣，罗振涛．中国太阳能热利用2011年度发展研究报告[J]太阳能，
2012（2）
[6] 李海翼.DC磁控溅射制备的TiNx薄膜组分及性能分析[J].红外与毫米波学报，2010，29（4）：245-247.
[7]郝雷，王树茂，蒋利军等.非真空高温太阳光谱选择性吸收涂层的研制[J].科学通报，2009,54(2）：251-254.
[8] 付淑英.TiNx太阳光谱选择性吸收薄膜的研究[D].南昌大学, 2010.
中图分类号：TM142文献标识码： A
0引言
太阳能的利用在近几十年内一直讨论火热，中高温太阳能吸收薄膜正是目前探讨的重点，其研制与工业应用成为国内外学者正在攻克的难关。许多国家都在积极研究性能优良、成本低廉、工艺简单、稳定性良好的中高温太阳光谱选择性吸收薄膜。
磁控溅射技术是太阳光谱选择性吸收薄膜研制的其中一种方法。始于上世纪70年代，随着逐步发展、完善成一种新型的溅射技术，而后太阳能选择性吸收薄膜的制备也引入了该种方法。CrxN具有金属属性，是一种较好的导体，其涂层具有极高的热稳定、耐腐蚀好、对有色金属及其合金化学惰性好等特点。
作为太阳能光谱选择薄膜，实验过程中的衬底温度、靶间距离、溅射功率、工作压力、氩氮流量比、沉积时间等工艺参数都将对所制薄膜的结构特性、光学性能与电学性能产生影响。
本文主要讨论在一定的溅射压强下，以不同的氮氩流量比、Cr靶与Al靶溅射功率沉积制备Cr1-xAlxN薄膜，以及其相关性能。
I 实验
1.1 样品的制备
本实验采用沈阳聚智真空设备有限公司出产的JZCK-450 多功能磁控溅射镀膜设备，以直径Φ50mm，纯度为99.99%的金属Cr靶、纯度为99.99%的金属Al靶为溅射靶材，以钠钙玻璃为衬底，纯度为99.99%的氩气作为工作气体，纯度为99.99%的氮气作为反应气体，使用直流反应磁控溅射方法，通过选择合理的溅射气压，在钠钙玻璃衬底上沉积Cr1-xAlxN薄膜。实验前需要使用丙酮、酒精和去离子超声波各10min对钠钙玻璃基地进行清理，并使用高压氮气吹干，置于旋转样品台上，待到实验腔体内真空度达到7.5×10-4Pa后，先后通入氩气和氮气。保持稳定的样品旋转速度，以获得均匀的Cr1-xAlxN薄膜。选择不同的氮氩流量比、实验温度、靶材的功率等参数来获得不同特性的Cr1-xAlxN薄膜，具体工艺参数如表1所示。
表1Cr1-xAlxN薄膜工艺参数表,
Table1Sputtering parameters for deposing Cr1-xAlxN thin films
1.2样品的测试
薄膜样品的晶体结构采用日本生产的X射线衍射仪D8 ADVANCE，测试分析了实验制得的Cr1-xAlxN薄膜的物相结构。薄膜在可见-近红外光谱范围的反射率采用了日本岛津紫外-可见-近红外分光光度计来测试。样品的方块导电率采用实验万用表进行测试。
2 结果分析
经过反复的实验及沉积得到了在以上工艺条件下的各样测试结果。 Cr1-xAlxN薄膜样品的XRD图谱如图1所示.。在分光光度计的测试中，各项性能最佳的为4#样品，其具有较好的吸光效果，其部分波段的吸收率图谱如图2所示。4#样品的XRD图谱如图3所示。
图1样品的X射线衍射图
Fig.1 X-ray diffraction spectra of sample
由图1可知，按照表1提供的工艺参数沉积的样品当中，当氮气流量充足时，生长成为多晶结构的CrN相或Cr(Al)N相；不同的Cr与Al原子比例，衍射峰相对强度出现差别，即出现不同的晶粒取向；衍射峰位发生移动。通过3#样品的结果，可以看出当氮气流量较小时，即氮气不足时，生长成为Cr3N。当氮气流量较小时，增大Cr靶材功率，为Cr3N相和金属Cr相的混合物。在5#样品的工艺条件下，衍射峰尖锐程度最高，结晶性好，晶粒较大。
图24#样品的可见- 红外吸收光谱
Fig.2Visible and infrared absorption of sample 4#
图34#样品的X射线衍射图
Fig.3 X-ray diffraction spectra of sample3
本次实验制备的各薄膜在可见光区吸收率都达到50%左右，在红外光区达到100%，说明Cr1-xAlxN薄膜在红外光区具有极低的发射率，其中4#样品在Cr靶溅射功率：Al靶溅射功率为3：2；LN2:LAr为2:1时，制备的Cr1-xAlxN薄膜在350nm~800nm区域内吸收率达到55%以上，在波长900nm时其红外反射率已经达到100%，此薄膜对于太阳光谱的反射具有很好的选择性，对可见光、接近可见光波长的近红外区有较低的反射率，而对波长较长的红外光有较高的反射率，即该薄膜在可见光半透明而在红外光区呈高反射。
3结论
实验表明，在氮氩流量比为2:1，铬靶功率为120W，铝靶功率为80W，基底温度为500℃，沉积时间为2h，溅射气压为0.5Pa，样品台旋转速度为12r/min时，沉积的薄膜均匀、致密，呈银灰色，结晶性良好，导电性能优，电阻率最低为。在可见-近红外光区对太阳辐射的平均吸收率为55%，最高红外反射率为100%，具有良好的太阳光谱选择性。在以上工艺参数基础上，适当增加氮气流量，减小铝靶的功率，可以获得性能优良的以CrN为基质的Cr1-xAlxN薄膜。
参考文献
[1] Y.H.Shin,Y.Shimogaki.Diffusion barrier property of TiN and TiN/Al/TiN films desposited with FMCVD for Cu interconnection in ULSI[J].Science and Technology of Advanced Materials.2004,5(4)：399-405.
[2] Nunes. C, Teixeira.V.Graded selective coatings based on chromium and titanium oxynitride[J]. Thin Solid Films, 2003,442:173-178．
[3] Qi Chu Zhang. Recent progress in high-temperature solar selective coatings[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2000,62:63-74．
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2012（2）
[6] 李海翼.DC磁控溅射制备的TiNx薄膜组分及性能分析[J].红外与毫米波学报，2010，29（4）：245-247.
[7]郝雷，王树茂，蒋利军等.非真空高温太阳光谱选择性吸收涂层的研制[J].科学通报，2009,54(2）：251-254.
[8] 付淑英.TiNx太阳光谱选择性吸收薄膜的研究[D].南昌大学, 2010.