精密光学工程技术研究所张哲、伊圣振等人在NiV/V软X射线多层膜研究中取得进展，相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》
近日，同济大学精密光学工程技术研究所张哲、伊圣振等人与南方科技大学、国家同步辐射实验室合作，在《Surfaces and Interfaces》发表题为《混合N2/O2反应溅射对NiV/V多层膜微结构和光学性能的影响》（Effect of mixed N2/O2 reactive sputtering on microstructural and optical performance of NiV/V multilayers）的论文。该研究面向500 eV附近软X射线光谱诊断对高反射率多层膜元件的需求，针对Ni/V及相关多层膜界面调控主要采用单一策略的问题，在传统Ni/V多层膜基础上，以Ni93V7合金层替代Ni层，并引入混合N2/O2反应磁控溅射，系统研究了不同反应气体浓度下多层膜的微结构、化学状态及软X射线光学性能，明确了影响NiV/V多层膜光学响应的关键因素。
V元素的L2,3吸收边位于约513 eV和521 eV，在吸收边以下，V基多层膜可获得较大的层间光学对比度，因而是500 eV附近软X射线反射的重要候选材料体系。此前针对V基和Ni基多层膜的性能改善和界面调控，相关研究多集中于阻挡层、材料掺杂或反应溅射等单一策略；本研究中，利用NiV合金替代与混合N2/O2反应溅射协同作用对NiV/V多层膜的生长和光学特性进行调控。
团队采用反应直流磁控溅射制备了两组Ni93V7/V多层膜，固定N2/O2流量比为4:1，并将反应气体浓度R=(N2/O2)/Ar分别设为15.0%和25.0%。多层膜针对15°掠入射、500 eV附近的应用条件进行设计，周期为5.00 nm，共45个周期。随后，团队结合掠入射X射线反射、X射线衍射、截面透射电子显微镜、能谱线扫描和X射线光电子能谱等手段，对两组样品的周期结构、局部晶化、元素分布和化学键合状态进行了系统表征，并在国家同步辐射实验室测量了450-550 eV能区的软X射线反射率。
研究结果表明，随着反应气体浓度提高，多层膜的局部晶化受到明显抑制，但两组样品的平均界面宽度并未发生显著变化；与此同时，更多N、O元素进入膜层，并改变了Ni、V的化学状态。软X射线反射率测量显示，反应气体浓度为15.0%的样品在约502 eV处获得20.2%的峰值反射率，而浓度提高至25.0%后，峰值反射率下降至15.3%。进一步的计算表明，仅依靠层厚、密度和界面宽度等结构变化不足以解释这一反射率差异，说明随着反应气体浓度提高，N/O引入及化学状态变化进一步改变了NiV富集层与V富集层之间的有效光学对比度。
图1 不同反应气体浓度影响机理示意图
上述结果表明，NiV/V多层膜的软X射线光学性能并不能仅通过界面宽度或晶化程度单独判断，而是由晶化行为、元素组成和化学状态共同决定。在本文考察的两种工艺条件中，R=15.0%的样品获得了最高的实测反射率。该研究进一步明确了混合N2/O2反应溅射条件下NiV/V多层膜的结构—成分—化学态—光学性能关联，为500 eV附近软X射线多层膜的工艺优化以及Z箍缩等离子体光谱诊断用高反射率光学元件的研制提供了实验依据。
同济大学精密光学工程技术研究所博士生许昊为论文第一作者，张哲助理教授和伊圣振长聘副教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（12475212、12327803）和强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室基金（NKLIPR2514）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2026.110598
