近日，同济大学精密光学工程技术研究所王占山教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Impact of Mo Barrier Layers on the Interface and Microstructure of Al/Sc Multilayers for the Extreme Ultraviolet Range”的论文。该研究采用界面工程技术，对极紫外Al/Sc多层膜的界面微结构进行调控，提出了一种在Al-Sc界面处引入超薄Mo阻隔层的界面缺陷抑制方法。研究团队综合运用多种薄膜表征技术，对传统Al/Sc多层膜以及在不同界面处引入Mo阻隔层的Al/Sc多层膜的界面形貌及膜层内部微观结构进行了深入研究，在原子尺度上详细阐述了“原子级界面阻隔层”调控方法改善Al/Sc多层膜界面质量的微观物理机理，并构建了Al/Sc、Al/Sc/Mo、Al/Mo/Sc以及Al/Mo/Sc/Mo四种多层膜的界面与微结构模型。
高效稳定的多层膜反射镜是太阳望远镜的关键技术部件，能够对太阳的色球层、过渡区以及日冕层等不同区域辐射出的极紫外线进行成像与光谱观测，进而获取太阳外部大气中等离子体的温度、密度和元素丰度等关键信息。极紫外40-80nm波段存在多条重要的太阳谱线，包括Ne VII线（46.5nm），He I线（58.4nm）和O V线（63nm）等。这一光谱区域内，Al/Sc多层膜具有极大的应用潜力，理论上可以在波长略大于44nm（Sc, M2,3）的波段范围内获得高反射率。然而，严重的界面缺陷限制了这一材料组合的实际反射特性。为抑制Al/Sc多层膜的界面缺陷，本文提出了一种在Al-Sc界面处引入超薄Mo阻隔层的界面调控方法。
本研究设计并制备了一系列在不同界面处引入Mo阻隔层的Al/Sc多层膜，并通过全方位测试表征，深入探究了阻隔层对Al/Sc多层膜界面生长微结构的影响规律（图1）。研究团队利用基于同步辐射的X射线吸收谱技术（XAS），并结合常规的X射线衍射测试（XRD），将纳米膜层内部原子局域结构信息（反映膜层内部原子排布的短程有序性）与晶体结构信息（反映膜层内部原子排布的长程有序性）相结合，从原子尺度精确揭示了“原子级界面阻隔层”对Al/Sc多层膜界面质量影响的微观物理机制（图1）。
图1 Al/Sc，Al/Sc/Mo，Al/Mo/Sc和Al/Mo/Sc/Mo多层膜的XRR测试结果；Al/Sc和Al/Mo/Sc/Mo多层膜的高分辨TEM图像与选区电子衍射图样；Al/Sc，Al/Sc/Mo，Al/Mo/Sc和Al/Mo/Sc/Mo多层膜的XRD测试结果；Al/Sc，Al/Sc/Mo，Al/Mo/Sc和Al/Mo/Sc/Mo多层膜中Sc元素K吸收边的XANES测试结果与EXAFS傅里叶变换结果。
研究表明，不同界面处引入的Mo阻隔层对Al/Sc多层膜界面质量的提升起到了不同的作用。在Al-on-Sc界面处，Mo阻隔层主要通过抑制Al膜层的柱状生长，有效降低了膜层的界面粗糙度；而在Sc-on-Al界面处，超薄Mo层则主要发挥阻挡扩散的作用，阻止Al原子向Sc膜层扩散，从而进一步促进Sc膜层结晶增强。基于上述结果，本文进一步构建了Al/Sc、Al/Sc/Mo、Al/Mo/Sc和Al/Mo/Sc/Mo四种多层膜的界面与微结构模型（图2）。
图2 Al/Sc，Al/Sc/Mo，Al/Mo/Sc和Al/Mo/Sc/Mo多层膜的界面与微结构模型。
同济大学王占山教授和张哲助理教授为本论文的共同通讯作者，同济大学博士研究生王子乐和博士研究生来搏为本论文的共同第一作者。对论文做出重要贡献的合作者还包括同济大学齐润泽助理教授，黄秋实教授和张众教授。该项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和上海市产业协同创新项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c22676
