同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授和张锦龙教授团队在天文与天体物理领域的权威期刊《物理评论D》（Physical Review D）近日发表题为“High-performance hydrogenated amorphous silicon deposited by ion-beam sputtering for gravitational-wave detectors”的学术论文。
该研究采用离子束溅射（IBS）沉积技术，结合氢化作用和退火处理，制备了高品质氢化非晶硅薄膜，有效降低非晶硅薄膜的光学吸收和机械损耗，推动硅薄膜材料在未来引力波探测器上的应用。这也是首次对IBS制备的氢化非晶硅进行系统性的机械损耗研究。
非晶硅因其机械损耗低、折射率高等特性，是一种有着较高应用潜力的低热噪声薄膜材料。然而，非晶硅的光吸收过大，制约了其实际应用。王占山、程鑫彬和张锦龙团队为降低非晶硅薄膜的光吸收，同时利用目前成熟的低损耗镀膜技术——IBS沉积技术，研究了不同氢引入工艺对非晶硅的光学性能和机械损耗的影响。研究结果表明氢的加入可以有效降低非晶硅的光学吸收，改善吸收的效果与薄膜氢含量关系密切；而氢化作用则通过改善硅原子网络结构，提高薄膜中短程有序度，降低了其机械损耗。优化沉积后退火温度可以进一步提高薄膜质量，结合使用合适的氢引入和退火工艺，可以使非晶硅薄膜在1064 nm处的消光系数降低了94%，在1550 nm处降低了99%，同时将机械损失降低了92%，实现非晶硅薄膜的光吸收和机械损耗均超过一个数量级的降低。
图1 非晶硅和氢化非晶硅样品的消光系数k随退火温度的变化关系
图2 不同退火温度下非晶硅和氢化非晶硅样品的薄膜机械损耗，图中红色虚线为对应样品的平均机械损耗值，误差带以阴影区域表示
本工作为IBS制备高品质氢化硅薄膜提供了合适的工艺参数，可以在目前IBS技术成功的基础上，与现有的IBS技术沉积的低折射率材料无缝集成，进一步提高非晶硅薄膜材料在探测引力波方面的应用潜力。
本工作中所涉及的薄膜机械损耗测试均在同济大学精密光学工程技术研究所自建的节点悬架式机械损耗测试平台上完成，该测试平台主要检测沉积于圆盘型基板的薄膜材料机械损耗，可激发样品位于20Hz至30kHz区间的共振模式，共振频率的部分测试重复性可达0.01%，机械损耗测试重复性在10%以内。自建的测试平台通过了与法国LMA实验室的对比测试，机械损耗的测试偏差小于5%，控制在仪器重复性误差以内。
图3 GeNS机械损耗测试平台
同济大学物理科学与工程学院张锦龙教授为论文通讯作者，学院博士研究生方圣欢为论文第一作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授、焦宏飞教授、博士研究生卢贞尹、博士研究生汲小川。
论文信息：
Shenghuan Fang, Zhenyin Lu, Xiaochuan Ji, Hongfei Jiao, Xinbin Cheng, Zhanshan Wang, and Jinlong Zhang*, High-performance hydrogenated amorphous silicon deposited by ion-beam sputtering for gravitational-wave detectors, Phys. Rev. D 108, 062002 (2023)
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.062002
