本文采用透射光谱法测量 Ge基底类金刚石薄膜(Diamond-like carbon，DLC)的光谱曲线。应用测量的光谱曲线，基于模拟退火算法，构建目标优化函数，通过光谱反演法得到薄膜的厚度、折射率、消光系数。该方法得到的 Ge基底类金刚石膜的光学参数与椭偏仪测试结果比对，折射率误差小于 1%，厚度误差小于 2%。并且将薄膜的光学参数带入透过率理论计算模型，得到的 Ge基底类金刚石薄膜透射光谱曲线和实际测试曲线的误差小于 2%。该方法只需测量透射光谱曲线，通过计算就能得到薄膜光学参数，对光学薄膜设计和加工具有重要指导意义。

硫属化合物由于高的非线性光学系数和宽的红外透过范围, 广泛应用于**和民用红外领域。其中类金刚石材料具有内在的非中心对称结构, 能够满足作为非线性光学材料的先决条件, 而且I2-II-IV-VI4化学式类型(I=Li, Ag, Cu; II =Zn, Cd, Hg, Mg, Co, Fe; IV=Si, Ge, Sn; VI=S, Se)成为目前研究的重要体系之一。调研发现已知的78个具有非中心对称结构的I2-II-IV-VI4 类金刚石型硫属化合物, 全部结晶于以下7个不同的空间群Pmn21, Pna21, Pn, I4-, I4-2m, Cmc21, F222。本文系统概述了不同空间群下的类金刚石材料的结构特点和非线性光学性能, 为未来设计性能优异的红外非线性光学晶体提供理论指导。

采用飞秒激光制备了无氢氧掺杂类金刚石膜,研究了环境气压对膜层红外性能的影响,并从掺杂含量、原子键、晶态结构等微观特性方面分析了膜层在含氧条件下的演变。研究发现:氧气氛环境可以提高无氢类金刚石膜中金刚石相的含量,有效降低类金刚石膜的红外吸收,从而增强其红外透射性能;膜层折射率可以由气氛环境自由调控,为多层光学膜的设计提供了匹配手段;氧气氛环境未改变类金刚石膜的非晶结构,不会妨害其红外性能。提出了碳膜在含氧条件下的原子键重组模型,丰富了氧掺杂类金刚石膜的研究,为提升类金刚石膜对红外窗口的增透保护提供了理论分析和实践依据。

热电材料可有效回收废热并将其转化为电能, 然而转换效率受复杂耦合热电参数的限制。高效热电材料需要具有优异的电传输和良好的隔热性能。具有类金刚石结构的Cu₂SnSe₃是一种潜在的中温区热电材料, 本研究通过在Sn位和Cu引入Ag离子, 分别获得了高电传输相Cu₂Sn_0.93Ag_0.07Se₃和低热传输相Cu_1.91Ag_0.09SnSe₃, 然后通过机械混合和烧结制备了Cu₂Sn_0.93Ag_0.07Se₃和Cu_1.91Ag_0.09SnSe₃两相复合的材料。利用两相材料的晶体结构相同和晶格常数匹配的特点, 在高温段有效地协同调控了Cu₂SnSe₃材料的电输运和热输运性能, 从而使材料的高温热电性能得到优化, 用有效介质理论很好地描述了高性能的两相复合材料的电和热传输行为。

提出了磁场辅助激光沉积类金刚石(DLC)膜技术, 在硅基底附近添加磁力线向基底收拢的磁场, 用以迫使侧向飞行的离子向基底靠拢并参与成膜。由于离子向基底的集中, 使其在膜层中含量大幅上升, 间接地减少了大颗粒的比例, 因此, 与无磁场条件下制备的DLC膜相比, 引入磁场不仅提高了DLC膜的沉积速率, 而且提高了其机械硬度; 更重要的是, 间接地证明了激光对靶材离化的高效性, 为脉冲激光沉积(PLD)结合磁过滤技术提供了可行性的依据。

利用飞秒激光和纳秒激光分别在氧气氛环境和高真空环境中烧蚀石墨靶材, 在硅基底上获得了两种不同的类金刚石膜, 通过红外透过曲线的拟合, 获得了各自的光学参数; 进而设计和制备了不同厚度组合的双层结构类金刚石膜硅基底样品: 飞秒激光在氧气氛环境中制备的类金刚石膜具有低折射率、高透过性的特点, 所以将其作为双层膜的内层, 发挥其红外增透效能; 纳秒激光在高真空环境中制备的类金刚石膜具有高硬度、耐蚀性的特点, 所以将其作为双层膜的外表层, 发挥其抗划、耐蚀的功能。实验测试表明: 随着外表保护层厚度的增加, 样品的中红外平均透过率逐渐下降0.5%~3%, 表面硬度提高7.2~24.7 GPa。碱溶液浸泡试验表明, 外表保护层能够承受碱溶液腐蚀, 但过薄的保护层不能阻止溶液向膜层内部的渗透, 从而使得不具有耐蚀性的红外增透层被腐蚀。研究结果为不同应用目的的双层膜或多层膜结构的设计与制备提供了实验基础。

为解决类金刚石膜内应力极大的问题, 利用很薄的岛状结构锗层与较厚的类金刚石层循环, 设计并制备了具有低内应力的多层类金刚石膜。其中, 类金刚石层为主要功能膜层, 起到硬质保护和光学增透的作用; 而锗层作为缓冲层, 起到缓解纯类金刚石膜内应力过大的问题, 同时由于锗层很薄, 对整个膜层的机械性能和红外特性的影响很小。测试表明, 制备的多层类金刚石膜内应力为2.14 GPa, 比纯类金刚石膜降低了39%, 通过了GJB2485-95《光学膜层通用规范》中的重摩擦测试; 同时, 其纳米硬度仍保持在47 GPa的高水平。该多层类金刚石膜可以作为实际应用的红外窗口保护膜。

利用直流非平衡磁控溅射技术，在100℃条件下，在单晶硅上制备了具有红外增透效果的类金刚石薄膜，研究了偏压对薄膜结构、机械性能和红外光学性能的影响，解释了薄膜结构与性能之间的关系。利用场发射扫描电镜（FESEM）、Dektak150 型台阶仪、Raman 光谱仪、纳米压痕仪、椭偏仪和傅里叶红外吸收光谱仪表征薄膜形貌、结构、硬度、折射率和红外光学性能。实验结果表明：在偏压为－100V 时，薄膜中sp³ 相含量最高，得到最大的纳米硬度14.8 GPa 和最大折射率2.36，此时透光率为67.3%；在偏压为－200V 时，薄膜硬度为11.2 GPa，薄膜的折射率为2.06，最接近零反射膜所需折射率，此时透过率最大。

提出了双激光沉积掺杂薄膜技术，利用准分子纳秒激光和飞秒激光分别烧蚀石墨和锗靶材，保持准分子纳秒激光的参数不变，而将飞秒激光的脉冲频率逐次由0提高至500 Hz，在硅基底上获得锗含量逐次增大的掺杂类金刚石膜。实验结果表明：随着锗掺杂量的提高，锗掺杂类金刚石膜的折射率略微增大，消光系数增大7.3倍；表面硬度呈近似的线性降低，降低幅度约为41.3%；内应力呈非线性减小并在某值趋于稳定，降低幅度约为78.1%。牢固度实验结果表明，锗掺杂量的提高可以增强类金刚石膜在基底上的附着性能，但不利于其对溶液的耐腐蚀性。研究结果为不同应用目的的掺杂类金刚石膜及其复合膜层的设计提供了实验基础，且研究方法具有很强的可扩展性，不仅仅限于实验所限薄膜范围。

利用非平衡磁控溅射法制得厚度达到2.23 μm的掺铬含氢类金刚石(Cr-DLC)碳膜。 采用Raman光谱和XPS对制得的薄膜进行了结构和热稳定性等表征。 结果表明: 室温时, 薄膜在1 544 cm-1附近的Raman“G”峰归属于石墨结构中C—C键的伸缩振动, 即E2g 模式; 而1 367 cm-1附近的“D”峰归属于sp2碳环的“呼吸”振动模式, 即A1g模式; 计算得到薄膜sp3键的相对含量约为48at.%。 加热至300 ℃, 薄膜的Raman谱图与室温时相似, 表明此温度段薄膜的结构稳定, 未发生明显改变; 至400 ℃时, ID/IG值迅速增大, sp2键含量升高, 表明此时DLC膜发生了明显的结构变化, 开始发生石墨化。 继续升温, 膜中ID/IG比率增加, “G”峰位向高波数方向位移, 表明 sp2/sp3比率逐渐增大, 薄膜石墨化程度加强, sp2键的无序度逐渐降低, 最终导致薄膜的摩擦系数和磨损率等逐渐增大, 热稳定性逐渐降低。 退火600 ℃时, ID/IG值以及sp2键含量达到最大值, DLC薄膜失效。