反应磁控溅射是一种低沉本、高效率的制备化合物薄膜的方法,可以满足大规模工业生产的需求。然而,反应磁控溅射沉积工艺中存在的一些不稳定现象使其在实际应用中受到一定的限制。因此,研究反应溅射过程中的工艺不稳定性,发展相关的监测及控制技术,对于反应磁控溅射技术的大规模工业应用具有十分重要的现实意义。此外,在一些特定的条件下,反应溅射沉积金属氧化物将导致薄膜生长行为的反常。系统研究这些反常的薄膜生长行为,对于制备具有特殊结构和性质的新型功能薄膜具有重要价值。本论文以反应磁控溅射沉积金属氧化物为中心,针对反应溅射沉积工艺的不稳定和反常薄膜生长行为,研究了反应磁控溅射环境中的等离子体,特别是氧原子密度对工艺不稳定的影响;系统开展了反应磁控溅射沉积氧化物对金属银膜的反常氧化现象的研究,揭示了反常氧化导致的多孔AgO纳米棒薄膜及高温MgO基片上外延生长纳米编织结构NiO薄膜的生长机制,为利用反应磁控溅射方法制备多孔纳米结构薄膜奠定了必要的实验基础。论文的主要研究内容和结果如下:(1)磁控溅射是一种以气体放电为基础的薄膜制备技术,反应磁控溅射的工艺不稳定性主要源于等离子体中活性物种对金属靶氧化的不稳定性。因此,本工作利用等离子体发射光谱,测量了溅射靶表面附近的氧原子密度、电子激发温度和解离率等,探讨了反应溅射沉积NiO过程中这些等离子体参数从起辉到稳定工作的演化过程,发现等离子体对基片的加热作用是影响等离子体放电不稳定性的原因之一。同时,这种等离子体的不稳定性不仅与氧气分压、放电功率、工作气压等放电参数有关,还会受到基片温度、靶基间距等因素的影响,进而改变反应磁控溅射的工作模式。此外,在反应磁控溅射沉积铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜时,发现在一定条件下氧原子密度存在准周期性变化现象,进而导致反应磁控溅射在金属和氧化模式之间自发转换,从而形成具有富氧/贫氧周期性结构的多层膜。研究发现,这种金属和氧化模式的自发转换一般出现在二者的过渡区附近,主要与溅射靶表面的刻蚀和磁场增强有关,可能是等离子体与溅射靶之间存在特殊的随时间演化的反应扩散模式引起的。(2)在反应磁控溅射沉积不同氧化物的过程中,发现基片上的金属银膜存在反常氧化现象,并最终形成具有多级结构的多孔AgO纳米棒薄膜。本工作重点研究反应磁控溅射沉积NiO过程中金属银膜的氧化及多孔AgO纳米结构形成的演化规律及物理机制,探讨了沉积速率、基片温度、靶基间距、工作气压和氧气分压等沉积参数对银膜氧化及多孔AgO纳米结构的影响。研究结果表明,银膜氧化从薄膜表面自上而下逐层进行,先形成具有六角结构的Ag2O(h-Ag20),而且表面没有任何镍的氧化物形成;当银膜被完全氧化后,进一步沉积NiO将导致薄膜从h-Ag2O相向立方AgO(c-AgO)相转变,并最终形成多孔c-AgO纳米棒薄膜。c-AgO纳米棒形核于c-AgO薄膜表面,可能与沉积的NiO在AgO薄膜表面形核有关;随着NiO的不断沉积,AgO纳米棒逐渐长大,并伴随着AgO纳米棒向薄膜底部延伸。当AgO纳米棒之间的连接部分基本消失后,沉积的NiO将导致AgO纳米棒上出现纳米级孔洞,并保持着多孔AgO纳米棒持续生长。研究发现,反应溅射沉积不同的金属氧化物有着类似的规律;利用300 nm厚的金属银膜,通过反应溅射沉积NiO可制备出4 μrm以上的多孔AgO纳米棒薄膜。通过分析反应磁控溅射环境中的氧原子密度、不同沉积元素及生长温度的影响,提出等离子体中的氧原子是导致银膜反常氧化的主要原因,而多孔AgO纳米棒的形成则主要归因于沉积的NiO和AgO之间存在的Kirkendall效应。此外,沉积过程中的阴影效应、基片温度和氧原子浓度在多孔AgO纳米结构的形成中起着至关重要的作用。(3)通过控制反应磁控溅射沉积金属氧化物的工艺参数,分别制备了 h-Ag20、Ti02//h-Ag20异质结和多孔c-AgO纳米棒薄膜,研究了这些薄膜在光致催化降解有机物和全固态薄膜电池方面应用的可能性。研究结果表明,h-Ag2O、Ti02//h-Ag20异质结和多孔c-AgO纳米棒薄膜的光催化活性均明显优于晶态和非晶态的Ti02薄膜,而且多孔c-AgO纳米棒薄膜的光催化性能最佳。此外,通过实验证明了水溶液中光催化形成的氢氧自由基(OH·)是有机物降解的重要原因,并根据测定的光学能带和银的氧化物稳定性,提出光生载流子和银的氧化物光致分解是产生OH·的主要机制,而多孔AgO纳米棒薄膜的光催化活性的增强还与多孔纳米结构导致的光俘获能力和比表面积增加有关。另外,将生长在Cu箔表面的多孔c-AgO纳米棒薄膜作为阴极,与金属Zn薄片组装成了具有一定柔性的Zn-AgO全固体薄膜电池。测量结果显示,这种多孔c-AgO纳米棒薄膜的比电容量高达390 mAh/g,十分接近432 mAh/g的理论值。(4)根据Kirkendall效应的思想,探讨了反应磁控溅射沉积NiO时外延生长纳米结构薄膜的可能性。研究发现,α-A1203(0001)单晶基片上可外延生长出高质量的NiO(111)单晶薄膜,摇摆曲线半峰宽仅为0.04°,但面内存在两种外延关系[211]NiO//[1120]Al2O3和[112]NiO//[1120]Al2O3,即NiO存在[111]和[111]两组取向的晶粒,与基片的晶格失配度均为7.5%。当在高于700℃的MgO(001)单晶基片上沉积NiO时,可外延生长出具有纳米编织状结构的NiO薄膜,应该是NiO沉积过程中Kirkendall效应导致的膜基互扩散的结果。通过对MgO基片进行大气高温退火处理或等离子体表面处理,能够一定程度上改善沉积NiO形貌,但结晶质量仍不太好,可能与二者之间存在较严重的固态反应有关。