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氮化钽薄膜换能元微秒量级瞬态响应温度研究

火工品 2022年第1期 24-28页

作者：阚文星刘卫任小明解瑞珍刘兰褚恩义任炜陕西应用物理化学研究所应用物理化学重点实验室陕西西安710061

为研究氮化钽薄膜换能元在不同激励条件下的温度响应特性,利用瞬态光学高温计,分别在恒定电压激励和电容激励下对不同结构尺寸的氮化钽薄膜换能元进行瞬态响应温度测试。结果表明:相同尺寸时,在电容激励下换能元可在几十微秒内达到最高... 详细信息

为研究氮化钽薄膜换能元在不同激励条件下的温度响应特性,利用瞬态光学高温计,分别在恒定电压激励和电容激励下对不同结构尺寸的氮化钽薄膜换能元进行瞬态响应温度测试。结果表明:相同尺寸时,在电容激励下换能元可在几十微秒内达到最高温度,而在恒压激励下需要100多微秒;在电容激励下,随着换能元长度的增加,换能元的最高温度以幂函数的形式不断减小,且与仿真结果的总体变化趋势一致;在恒压激励下,随着激励电压的增加,换能元的最高温度呈线性关系增加,在高电压激励下,换能元的发热持续时间较短。本研究为对换能元的结构尺寸设计与激励条件的选择提供参考。

关键词：换能元氮化钽含能薄膜温度响应结构尺寸

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氮化钽换能元的制备工艺研究

火工品 2020年第1期 26-28,I0002页

作者：任小明苏谦解瑞珍薛艳刘兰刘卫陕西应用物理化学研究所应用物理化学重点实验室陕西西安710061

开展了一种制备氮化钽换能元的工艺研究,利用射频电源溅射氮化钽薄膜,采用剥离工艺制备氮化钽换能元图形,获得满足完整性、一致性和重复性要求的氮化钽换能元。依据GJB/z377A-94感度试验用兰利法,测得氮化钽换能元发火能量为0.6m J。

关键词：换能元氮化钽 MEMS 发火能量工艺

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氮化钽晶须的制备及生长机理研究

氮化钽晶须的制备及生长机理研究

作者：张浩然海南大学

学位级别：硕士

氮化钽具有优良的物理化学性质,已被广泛应用于机械、防腐、催化、航空航天等领域。由于钽金属原子的d轨道空间分布复杂以及其化合物中存在大量的非金属空位,使得钽在化合物中具有较多可变价态,产生结构、组成丰富的物相。不同物相具有... 详细信息

氮化钽具有优良的物理化学性质,已被广泛应用于机械、防腐、催化、航空航天等领域。由于钽金属原子的d轨道空间分布复杂以及其化合物中存在大量的非金属空位,使得钽在化合物中具有较多可变价态,产生结构、组成丰富的物相。不同物相具有较为悬殊的物理化学性质,使得氮化钽应用广泛。另外,常见的氮化钽制备工艺需要高温条件,容易导致非金属原子(N)的快速析出,使得产物的晶粒大小、纯度难以控制。本文采用碳热还原法及碳热还原氮化法分别制备了碳化钽及氮化钽晶须,详细探究了反应条件对物相组成的影响,对晶须进行了形貌及生长机理的研究。(1)以氟化钾熔盐为反应介质,以五氧化二钽为钽源,以活性炭为碳源,利用碳热还原法制备并得到了碳化钽晶须。原料在反应前通过球磨以剪切、碰撞的形式获得能量,并在一定程度上降低了原料的结晶度,减小了晶粒尺寸(可增加成核位点并降低反应温度)。这一部分主要探索了原料配比和反应温度对碳化钽晶须形成的影响,使用SEM、TEM和XPS对材料的表面成分及微观形貌进行了表征。结果表明材料在1250°C、流量为50 m L/min的氮气环境下反应3小时,可得到产率较高、形貌较好的碳化钽晶须,晶须直径为70-200 nm,长度为几微米,并提出该晶须通过气-液-固(VLS)和气-固(VS)混合机制形成。(2)利用碳热还原氮化法,以五氧化二钽为钽源,以活性炭为碳源,以氟化钾熔盐为反应介质,氨气气氛下制得了氮化钽(TaN)晶须。分别对反应温度、保温时间、碳添加量等因素对晶须形成的影响进行了分析。结果表明在1300°C、保温时间为6 h、碳与五氧化二钽摩尔比5的条件下,制备出形貌较好的TaN晶须,晶须直径约400 nm,长度为几微米。通过SEM和TEM分析,我们认为该晶须主要以VS机制生长。(3)以五氧化二钽、活性炭为主要原料,氟化钾为熔盐介质,首先通过碳热还原法在流动氮气(50m L/min)下加热至1250°C并保温3h,然后在流动氨气气氛(300m L/min)下继续升温并保温处理,合成了氮化钽(TaN)晶须。发现当氮化温度为1300°C、氨气流速为300 m L/min、保温时间为6小时及原料中Ni:TaO摩尔比为0.1时,制备得到的TaN晶须形貌最佳,其直径为80-250nm,长度为几微米。晶须的生长机制为VLS和VS两种模型的混合机制。

关键词：氮化钽碳化钽晶须碳热还原碳热还原氮化熔盐辅助生长机制

氮化钽基异质结材料的制备及其光电催化还原二氧化碳的研究

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氮化钽基异质结材料的制备及其光电催化还原二氧化碳的研究

作者：杨冰洁兰州大学

学位级别：硕士

由于人类活动的增加和能源的过度消耗,大气中的二氧化碳浓度逐年递增,全世界都在寻求合适的方法以应对能源危机和环境问题。二氧化碳作为造成温室效应的元凶之一,将其转化为碳基燃料不仅有利于二氧化碳的减排,而且可以在一定程度上缓解... 详细信息

由于人类活动的增加和能源的过度消耗,大气中的二氧化碳浓度逐年递增,全世界都在寻求合适的方法以应对能源危机和环境问题。二氧化碳作为造成温室效应的元凶之一,将其转化为碳基燃料不仅有利于二氧化碳的减排,而且可以在一定程度上缓解能源危机。相比于传统的催化转化方式,人们通过模拟自然界植物的光合作用,提出了光电催化这一绿色环保的方式进行CO转化。光电催化还原CO是一种有前景的转化途径,催化剂的制备是其中研究的关键。基于光电催化的原理,选择吸光性能强的半导体材料有利于增强光电催化效率。本论文选用吸光性能好的TaN半导体材料作为基础,针对其光生载流子分离效率低等缺点,通过构筑异质结和负载助催化剂等方法对TaN基半导体进行改性,以提高其光电催化还原二氧化碳的性能。(1)设计制备了一系列异质结复合催化材料M-TNCN-x(M=Pd,Pt,Ru;TN=TaN;CN=g-CN),用于光电催化还原CO的研究。首先以TaO为原料在氨气氛围中合成出TaN,然后成功制备了TaN/g-CN异质结,接着通过电化学沉积将金属负载到异质结材料表面,得到M-TNCN-x光电阴极,并与BiVO光电阳极以及饱和甘汞参比电极在KHCO水溶液中构建了光电解池M-TNCN-x?SCE?BiVO。在外加电压的驱动和模拟太阳光的照射下,研究了不同电极材料和不同外加电压对催化还原CO的影响,并且探究了光电催化还原CO的反应机理。结果表明,异质结的形成有利于提高载流子的分离效率,金属颗粒的沉积可以提高半导体的催化性能。在-0.9 V(vs.SCE)时,Pd-TNCN-2?SCE?BiVO光电池展现出了最高的CO还原活性,其中生成甲酸的速率为38.8μM cm h,碳氢化合物的总产率为77.2μM cm h,是TNCN-2电极的2倍,是纯TaN电极的4倍。(2)设计制备了一系列p-n异质结催化材料TaN/CoO-x用于光电催化还原CO的研究。选用对可见光利用率高的p型金属氧化物半导体CoO与n型半导体TaN耦合,利用水热法设计制备了不同比例的TaN/CoO异质结材料,采用XRD、SEM、TEM、XPS、LSV、EIS等测试手段对材料的微观结构以及光电化学性能进行了表征。实验结果表明,异质结的形成不仅提高了对可见光的利用,也有利于促进光生电子和空穴的分离,从而提高了催化还原CO的能力。与纯的TaN光电阴极相比,异质结的构筑有利于乙醇等C2+产物的产生,光电阴极TaN/CoO-2-1生成碳基化合物的总产率最高,是TaN光电阴极总产率的2倍,其中乙醇的产率为12.64μM h cm,C2+产物的选择性为63%。

关键词：温室效应光电催化二氧化碳还原氮化钽异质结半导体改性

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反应磁控溅射制备氮化钽扩散阻挡层的研究

真空科学与技术学报 2012年第8期32卷 751-757页

作者：贾振宇朱嘉琦曹世成哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨150001

采用反应磁控溅射在硅衬底上制备了TaN薄膜,研究了氮分压、溅射功率及衬底温度对薄膜晶体结构、表面形貌和电学性能的影响。结果表明,晶体结构随工艺参数的改变发生变化,GIXRD图谱衍射峰强度随溅射功率和衬底温度的增加而增强,氮气分压... 详细信息

采用反应磁控溅射在硅衬底上制备了TaN薄膜,研究了氮分压、溅射功率及衬底温度对薄膜晶体结构、表面形貌和电学性能的影响。结果表明,晶体结构随工艺参数的改变发生变化,GIXRD图谱衍射峰强度随溅射功率和衬底温度的增加而增强,氮气分压的增加使择优取向向(111)晶面偏移;TaN薄膜的表面形貌与溅射功率和氮气分压密切相关,与衬底温度的关系不大,其粗糙度随溅射功率的增加而增大,随氮气分压的增加而减小;TaN薄膜的方块电阻随溅射功率的增加逐渐减小,随氮气分压的增加逐渐增大,温度对方块电阻的影响不大;对Cu/TaN/Si互联体系热处理后发现TaN薄膜具有优异的阻挡性能,在600℃时依然可有效阻止Cu向Si的扩散。

关键词：反应磁控溅射氮化钽扩散阻挡层

钽基（氧）氮化物产氢助催化剂可见光光催化产氢研究

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钽基（氧）氮化物产氢助催化剂可见光光催化产氢研究

作者：文兴宁夏大学

学位级别：硕士

化石能源不可再生的消耗和环境污染问题是目前世界共同面临的问题,半导体光催化剂利用太阳光光催化分解水制氢是解决能源短缺和环境污染问题的最理想技术之一。氢能是一种理想的清洁能源,不仅热值高,而且燃烧后生成水,无污染,是传统能... 详细信息

化石能源不可再生的消耗和环境污染问题是目前世界共同面临的问题,半导体光催化剂利用太阳光光催化分解水制氢是解决能源短缺和环境污染问题的最理想技术之一。氢能是一种理想的清洁能源,不仅热值高,而且燃烧后生成水,无污染,是传统能源最好的替代品。因此探索开发具有成本低廉、产氢高效的光催化产氢催化剂是研究者一直以来所关注的问题。本论文以Ta3N5为研究对象,以微量的贵金属Au光沉积在Ta3N5上进行组装成Au/Ta3N5复合半导体催化剂,再以Au/Ta3N5复合半导体催化剂与棒状CdS半导体光催化材料进行复合担载,形成（Au/Ta3N5）/CdS复合半导体光催化剂进行对太阳光的高效利用,提高光催化分解水制氢的速率;以及以TaON催化剂研究对象,与CdS复合形成TaON/CdS半导体复合光催化剂。通过XRD、SEM、TEM等表征手段来观察确定物质的形貌结构、组合方式;通过电化学、光电化学等表征手段来研究探索半导体光催化剂光催化活性提升的因素、电子传输原理等,为构建更加廉价高效的半导体光催化剂提供一定的理论基础。其研究内容如下:（1）研究Ta3N5/CdS的光催化产氢活性提升的因素,证明了 Ta3N5具有助催化剂的特性。担载10%（Wt·%）Ta3N5与半导体光催化剂棒状CdS形成的Ta3N5/CdS光催化产氢活性明显提升,产氢速率达到3846.1 μmol·h-1·g-1,是半导体光催化剂棒状CdS的3.31倍,然而单独的Ta3N5没有产氢活性;通过电化学可知,助催化剂Ta3N5具有增加电容特性,Ta3N5/CdS的电容C=4.29F/g,是单一CdS电容的1.78倍左右;Ta3N5/CdS的过电势电位为0.99V,降低了过电势电位,具有更好的析氢性能。（2）研究了（Au/Ta3N5）/CdS光催化剂产氢活性和机理。其产氢速率为8454.9μmol·g-1·h-1,是CdS的7.27倍,是Ta3N5/CdS的2.2倍。通过电化学和光电化学表征测试可知（Au/Ta3N5）/CdS的电容C=5.82 F·g-1是CdS电容的2.4倍,过电势电位最低为0.96 V,析氢性能最优;Au/Ta3N5复合助催化剂中Au在半导体复合光催化剂中起两个作用,分别是建立快速的电子转移通道和为吸纳储存电子提供更多的活性位点;同时荧光强度最低,能有效的抑制光生载流子的复合。（3）研究TaON/CdS半导体复合光催化剂产氢活性及机理。担载量5%（Wt·%）TaON与CdS形成的TaON/CdS光催化产氢活性提升明显,其产氢速率为2133.56 μmol·h-1·g-1,是TaON的40倍,是CdS的1.78倍,证明了 TaON不仅具有光催化剂特性而且具有助催化剂特性。通过电化学和光电化学表征测试手段可知,TaON/CdS的电容为2.78F·g-1,是CdS电容的1.38倍,证明了助催化剂TaON具有增加电容特性;TaON降低了电化学阻抗电阻,使电子传输效率更高;增加了可见光的吸收范围,增强了光响应强度,降低了荧光强度,使TaON/CdS光催化剂的光生载流子空穴复合得到了有效的抑制;TaON/CdS的光电压响应更高,光生载流子的分离更快,光生电子能更好的迁移到表面进行质子还原产氢,提升了光催化产氢活性。

关键词：氮化钽复合催化剂组合方式钽氧氮光催化产氢

基于氮化钽薄膜材料的低TCR功率电阻器制备与性能研究

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基于氮化钽薄膜材料的低TCR功率电阻器制备与性能研究

作者：叶升华南理工大学

学位级别：硕士

针对当前国内生产的氮化钽(TaN)薄膜电阻水平与国外先进水平存在较大差距,本文对TaN薄膜材料的制备工艺及TaN薄膜电阻的功率特性和热氧化特性展开了系统的研究,并设计制造了两款高性能的TaN薄膜电阻。具体如下:(1)分别研究了溅射功率、N... 详细信息

针对当前国内生产的氮化钽(TaN)薄膜电阻水平与国外先进水平存在较大差距,本文对TaN薄膜材料的制备工艺及TaN薄膜电阻的功率特性和热氧化特性展开了系统的研究,并设计制造了两款高性能的TaN薄膜电阻。具体如下:(1)分别研究了溅射功率、N2分压和溅射气压对TaN薄膜物相结构及电性能的影响,结果显示:(1)在3%的氮气分压下制备得到了圆柱状TaN晶体,随着溅射功率从150W增加到350W,物相不会发生变化,但晶体生长会呈现(111)择优生长,且晶体尺寸和晶粒尺寸增大;(2)N2分压从0%增大到9%的过程中,薄膜依次生成了Ta(包含α-Ta和β-Ta)、TaN0.4、θ-TaN、δ-TaN和Ta4N5,物相的改变使得薄膜电阻率由138μΩ·cm增大到1052μΩ·cm,在N2分压为5%时制备的薄膜具有最低TCR为-28 ppm/℃;(3)调整溅射气压,薄膜组成中N/Ta原子数比随着溅射气压的增大而增大,TCR和电阻率随溅射气压增大呈现增大趋势。在0.3 Pa时,制备的薄膜具有最小TCR为41 ppm/℃。(4)设计正交实验,得出最佳工艺参数为:功率200 W,氮分压3%,气压0.1 Pa,此参数下沉积的薄膜具有304μΩ·cm的电阻率和26 ppm/℃的TCR值。(2)利用最佳沉积工艺参数,制备了TaN薄膜电阻,其在室温下额定功率密度为9 W/mm2。薄膜电阻热氧化的研究结果表明环境温度在100℃以下时,氧化带来的阻值误差可以控制在0.5%以内。提出了一种利用Ansoft ephysics软件对辅助设计电阻功率的方法。通过对薄膜电阻进行热仿真,建立不同环境温度下电阻膜表面温度与加载功率密度间的关系图,通过该图可以十分便捷的通过目标设计电阻所使用的环境条件确定其加载的功率密度。(3)设计并制备了额定功率为5 W,使用频率为DCGHz,应用于室温和70℃下的两种功率电阻Resistor 1和Resistor 2。测试结果显示,在额定加载功率(5 W)下,Resistor 1表面温度小于95℃,Resistor 2表面温度低于112℃,功率特性符合设计要求;表面温度实测值与仿真值误差并不大,表明利用ephysics仿真建立表面温度与加载功率密度曲线来辅助设计电阻功率具备可行性。利用矢量网络分析仪测试了电阻的微波特性,结果显示在0 GHz,Resistor 1反射系数S(1,1)<-10.3 dB,VSWR<1.37,Resistor 2的反射系数S(1,1)<-14 dB,VSWR<1.34,均显示较好的微波特性。

关键词：氮化钽功率电阻 TCR 电阻率

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氮化钽金属薄膜干法刻蚀的研究

氮化钽金属薄膜干法刻蚀的研究

作者：李佳青复旦大学

学位级别：硕士

氮化钽薄膜在微电子工艺中的应用比较广泛：在标准CMOS后道的铜互连技术中,作为阻挡层被应用;由于氮化钽与高K介质的良好兼容性,在45nm以下CMOS工艺中,正在被开发作为金属栅极材料;在EUV光刻中,氮化钽被研究来用作吸收层。在新近的MEMS... 详细信息

氮化钽薄膜在微电子工艺中的应用比较广泛：在标准CMOS后道的铜互连技术中,作为阻挡层被应用;由于氮化钽与高K介质的良好兼容性,在45nm以下CMOS工艺中,正在被开发作为金属栅极材料;在EUV光刻中,氮化钽被研究来用作吸收层。在新近的MEMS应用中,氮化钽薄膜已经被证实可以用作MEMS微桥结构的电连接材料,但是目前应用于MEMS的氮化钽刻蚀的研究非常少。本课题研究的是基于非制冷红外热成像阵列的MEMS产品应用的氮化钽干法刻蚀工艺开发。该产品应用非晶硅作为热敏材料,由于其具有较高的热电阻温度系数,在受到红外辐射后,有明显的电阻变化,通过衬底读出电路将阵列内各单元的电阻变化率转换为图像输出。在这样的一个产品中,对用于信号传输的电极要求有很好的热稳定性,并且具有很低的热电阻温度系数,氮化钽由于在这两方面的良好特性,可以作为电极候选材料应用到该产品中。氮化钽作为电极材料,在非晶硅图形化后淀积上去,其经过刻蚀图形化后起到定义电阻图形的作用,因此,氮化钽的刻蚀是产品开发中非常关键的步骤,其要求对侧壁形貌以及下层衬底的损失量都具有良好的控制。本课题基于应用材料的Centura机台对氮化钽薄膜进行图形化开发,采用CHF3/CF4作为刻蚀气体,评估了射频功率、工艺腔压力、气体流量等工艺参数对刻蚀性能的影响,优化后的工艺菜单对下层衬底的Si及Si02的损失量具有较好的控制。在氮化钽刻蚀过程中,容易产生残留,在建立了刻蚀残留物产生机制的模型后,通过去胶菜单的优化,在去胶过程中加入CF4处理,解决了残留的问题。最后,在集成流片中通过电学测试结果对刻蚀效果进行了验证,并且分析了衬底条件对刻蚀效果的影响。氮化钽的刻蚀菜单和去胶菜单最终成功运用到MEMS产品中。

关键词：氮化钽干法刻蚀刻蚀选择比主刻蚀过刻蚀去胶残留

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氮化钽薄膜压力传感器研究

微处理机 2018年第2期39卷 11-13,17页

作者：谢贵久周国方何峰蓝镇立王栋龚杰洪季惠明中国电子科技集团公司第四十八研究所长沙410111 薄膜传感技术湖南省国防重点实验室长沙410111 天津大学天津300072

介绍了溅射薄膜压力传感器的技术要求、工作原理、结构设计、版图设计以及试验结果,并对研究过程中的关键技术及解决方法进行了探讨。传感器是依据溅射薄膜应变原理,选用圆平膜片感压膜片、17-4PH不锈钢作为弹性材料,采用机械研磨抛光... 详细信息

介绍了溅射薄膜压力传感器的技术要求、工作原理、结构设计、版图设计以及试验结果,并对研究过程中的关键技术及解决方法进行了探讨。传感器是依据溅射薄膜应变原理,选用圆平膜片感压膜片、17-4PH不锈钢作为弹性材料,采用机械研磨抛光技术制备压力传感器弹性体基底,利用直流离子束反应溅射及刻蚀技术制备了氮化钽薄膜压力传感器芯片。最后通过激光焊接、金丝球焊接等工艺封装芯片并对传感器的静态性能进行了标定。传感器具有非线性好、灵敏度高等特性。本文探讨了氮化钽薄膜压力传感器的制备方法,研究了不同热处理工艺下传感器性能的变化。

关键词：薄膜压力传感器氮化钽直流离子束反应溅射热处理