NV色心浓度与退火温度的Boltzmann模型

金刚石NV色心具有室温可观测到的零声子线,发光稳定,相干时间长等优秀的光学特性,可实现高精度的物理量探测和量子调控.其中,NV色心的浓度是影响其宏观性能和应用的关键因素之一.这项研究分析了不同退火温度下金刚石NV色心的荧光光谱,研究了两种不同电子注入剂量下NV色心浓度与退火温度的关系.首先,通过电子辐照,高温退火等技术制备了含有不同浓度NV色心的金刚石样品.然后测量分析了不同制备条件下NV色心的荧光光谱,求得了其声子带的总荧光强度来表征NV色心浓度.分析了NV色心浓度与退火温度的关系,根据不同温度范围NV色心浓度的变化情况提出了抑制区、扩散区和饱和区三个分区.根据实验数据拟合得到了NV色心浓度与退火温度的玻尔兹曼模型,并得到了在780℃附近NV色心浓度的变化速率最快.     

高温高压硼掺杂金刚石辐照缺陷的生长晶面依赖性研究

硼是金刚石中最常见的受主元素之一,其在价带之上0.37 eV处形成了浅能级,因此硼掺杂金刚石被认为是一种理想的p型半导体材料.在化学气相沉积法制备的硼掺杂金刚石中,硼杂质在晶体中的分布非常不均匀,其拉曼信号强度对测试位置的依赖性非常强,且可重复性很差.而对于高温高压法合成的硼掺杂金刚石来说,同一晶面上硼杂质分布变化较小.本文利用低温光致发光光谱研究了高温高压法合成的硼掺杂金刚石辐照缺陷的光致发光性质,并利用晶体生长理论讨论了辐照缺陷在不同晶面上的分布情况.     

高温高压氮掺杂金刚石的光致发光研究

本文利用激光共聚焦显微拉曼光谱仪表征了高温高压法合成的氮掺杂金刚石,并分析了该晶体的光致发光特性.结果表明,金刚石晶体内部含氮量比晶体表面高,且由于氮原子尺寸较大,使得晶体内部应力较高,晶化程度弱化;另外,氮掺杂金刚石的光致发光主要以氮-空位(NV)复合缺陷为主;氮含量高的区域,NV缺陷发光增强,且NV-/NV0强度比也增强.这是因为氮作为施主原子,有利于负电荷缺陷即NV-中心的形成;同时氮含量升高,也会使得费米能级向NV-中心的基态靠近,这也造成了NV-/NV0强度比随氮含量增加而增强.     

退火对电子辐照氮化镓光电性能的影响

本文对10 MeV电子辐照的GaN进行了不同温度的热退火处理.用光致发光谱和霍尔测量了样品的光电性能随退火温度的变化.实验结果表明:黄光带强度、电子浓度和电子迁移率随退火温度呈非线性变化.在200～600℃退火范围内,黄光带、电子浓度和电子迁移率的变化是由于辐照Ga空位与O施主杂质的结合和断裂引起的.800℃退火后黄光带、电子浓度和电子迁移率的变化与电子辐照引入的N空位有关.     

金刚石自支撑膜拉曼光谱1420cm-1特征峰研究

采用带有半封闭式气体循环系统的100千瓦级直流电弧等离子体喷射CVD设备制备三组不同质量的金刚石膜,通过532 nm激光激发金刚石膜的拉曼光谱时,除1332 cm-1金刚石一阶拉曼峰外还出现了1420 cm-1宽峰,本文针对这一峰位的由来及分布进行研究。结果表明,增加或降低拉曼激发波长该峰为都不复存在,不符合材料的拉曼特征频移与激发波长无关这一原则,证明其并非本征拉曼峰;采用488 nm激发和514 nm激发时拉曼光谱分别出现了与1420 cm-1峰型一致的3125 cm-1和2060 cm-1峰,将拉曼频移转换为波长后发现,三个峰位都对应于波长575 nm(2.156e V);575 nm为金刚石膜荧光光谱中常见峰位,对应于氮杂质相关的[N-V]0中心,这表明含氮杂质金刚石膜采用532nm激发时产生的1420 cm-1峰是[N-V]0相关的氮杂质引起的荧光峰;采用532 nm对金刚石膜形核面和生长面的拉曼面扫描结果表明,[N-V]0相关的氮杂质存在于金刚石膜表面晶粒与晶界各处,并存在一定程度的偏聚。     

物理气相传输法合成AlN单晶性能表征

采用物理气相传输(PVT)法通过同质外延生长获得14 mm×12 mm的AlN单晶样品。对样品进行切割、研磨、化学机械抛光处理后，采用拉曼光谱仪、高分辨X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、光致发光光谱仪对样品进行测试表征。拉曼测试结果表明，晶体中心区域的拉曼光谱E₂(high)声子模的半峰全宽为3.3 cm^-1,边缘区域E₂(high)声子模的半峰全宽为4.3 cm^-1,晶体呈现较高的结晶质量。XRD摇摆曲线表征结果显示，外延生长后的晶体中心和边缘区域的摇摆曲线半峰全宽增大至100″和205″,表明晶体内存在缺陷。XPS测试结果表明，晶体内存在C、O、Si杂质元素，杂质的原子数分数分别为0.74%、1.43%、2.14%,晶体内发现以氧杂质为主的Al—O、N—Al—O等特征峰。光致发光光谱测试结果显示，晶体内存在V_Al-O_N复合缺陷和V_Al点缺陷。     

MPCVD单晶金刚石初始及断续生长界面的表征与分析

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术制备的大尺寸、高质量单晶金刚石材料具备卓越的物理化学性能,在珠宝、电子、核与射线探测等消费品、工业和国防科技领域极具应用前景.研究发现在化学气相沉积单晶金刚石生长过程中,在衬底与外延层之间,以及生长中途停止-继续生长的生长层之间出现明显的界面区.本文采用偏光显微镜、拉曼光谱、荧光光谱(PL)等手段对界面区域进行了测试分析,界面区在偏光显微镜下表现出因应力导致的亮区,且荧光光谱(PL)及其线扫描显示该区域的NV色心含量远高于衬底及其前后外延层,表明该界面区具有较高的缺陷和杂质含量.结果表明在生长高品质单晶金刚石初期就应当采取一定手段进行品质调控,并尽量在一个生长周期内完成制备.     

硼和氮掺杂金刚石单晶的合成与Raman光谱研究

氮(N)元素和硼(B)元素为金刚石晶体中常见的两种杂质元素,它们对金刚石的物理化学性质有着重要的影响.本文使用高温高压温度梯度法合成了分别含有氮和硼杂质的金刚石单晶,并使用Raman光谱对晶体进行分析研究.研究发现:随着金刚石生长体系内杂质的引入,晶体的质量变差;当生长体系含有氮杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向低波数偏移,晶体的应力表现为拉应力;当生长体系含有硼杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向高波数偏移,晶体的应力表现为压应力.本研究将有助于丰富金刚石单晶掺杂的认识.     

Ar气氛下退火处理对6H-SiC晶片表面结构的影响

本文对物理气相传输法生长的三片2英寸掺氮6H-SiC晶片,分别在不同温度下进行退火处理.采用原子力显微镜(AFM)对SiC晶片表面结构进行表征,研究了不同温度和偏角度对SiC晶片表面结构的影响.发现Ar气氛下高温退火处理可以在晶片表面形成规则的台阶条纹,说明Ar气氛下的高温退火处理对SiC晶片表面有一定的刻蚀作用.     

退火温度对镶嵌于SiO2膜中的Ge纳米晶结构的影响

采用磁控溅射及退火的方法制备了含Ge纳米晶的SiO2复合膜,应用拉曼散射和X射线衍射技术研究不同退火温度下的Ge纳米晶结构.结果表明:Ge纳米晶的结晶温度约为750 ℃.运用声子限域模型(RWL model)对样品的拉曼散射光谱进行拟合,确定出样品中Ge纳米晶的尺寸.通过XRD谱计算复合膜的内部压应力,得出由其引起的拉曼峰位的蓝移量,得出结论:压应力是造成拉曼模拟曲线与实验曲线峰位偏离的主要原因.     

Investigation of Pretreated Silicon Wafers for CVD Growth of Diamond Film

Difference between lattice constants of silicon (Si) and diamond is approximately 52%. Therefore Si_1—xC_x which has a lattice constant between two materials should be formed on Si substrate to be diamond nucleation sites and reduce the stress between the diamond film and Si substrate. Si wafers with carbonization and dc-biasing pretreatment were prepared in a microwave plasma chemical vapor deposition (CVD) system, then they were investigated by Raman spectroscopy, Photoluminescence (PL), chemical etching and scanning electron microscope (SEM) to study the pretreatment effect. This was achieved by studying a series of samples pretreated by carbonization and dc-biasing.     

中子辐照α-Al2O3单晶的光学性质研究

本文利用吸收光谱法、光致发光光谱法和拉曼光谱法对中子辐照的α-Al2O3进行研究.吸收光谱表明,中子辐照除产生F2、F2+、F2+2和F3色心外,还能产生[Al-O]3-色心,它对应着325 nm和638 nm两个吸收峰,且具有较低的热稳定性,经300℃退火后消失.光致发光谱法除了检测到F2、F2+和F2+2色心对应的发光峰外,还检测到625nm和657 nm发光峰.625 nm发光峰可能对应着高剂量中子辐照下特有的发光中心.657 nm发光峰是经800℃处理后唯一存在的发光峰,它可能来自于反位铝缺陷(AlO).此外,拉曼光谱显示该剂量的中子辐照不能导致明显的拉曼峰频移和展宽.     

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积高质量金刚石膜残余应力分布的垃曼谱分析

不同工艺条件下在钼衬底(φ60mm)上用100 kW直流电弧等离子体喷射化学气相沉积设备进行金刚石膜的制备.金刚石膜用扫描电镜(SEM)、拉曼谱(激光激发波长为488nm)和X射线衍射来表征.研究结果表明,在直流电弧等离子体喷射化学气相沉积金刚石膜的过程中,内应力大小从金刚石膜的中央到边缘是增加的,并且应力形式是压应力.这说明了在金刚石膜中存在明显的应力不均.甲烷浓度和衬底温度都影响金刚石膜中的内应力.随着甲烷浓度和衬底温度的提高,金刚石膜中的内应力呈增加的趋势.     

直流等离子体法中脱膜开裂的金刚石膜组织结构分析

为了解决用直流等离子体喷射法制备金刚石膜在脱膜过程中膜体开裂的问题,本文对3组脱膜开裂的金刚石膜组织结构进行了分析,发现由热应力作用产生的裂纹形貌随沉积温度的不同而呈现网状、河流状和环状,裂纹尖端的膜体具有最小的Raman 谱峰半高宽值.在所研究的温度范围内,膜体断口都是穿晶断裂和沿晶断裂的混合断口,而且断口面中的占优晶面都是{111}晶面.X射线和Raman谱结果还表明沉积温度愈高,膜体中的残余应力愈大.     

Electron paramagnetic resonance and raman spectroscopy characterization of diamond films fabricated by HF CVD method

Thin polycrystalline diamond films were synthesized on silicon substrate by Hot Filament Chemical Vapor Deposition (HF CVD) technique from a mixture of hydrogen and different content of methyl alcohol. A comparative study on the Electron Paramagnetic Resonance (EPR), Raman spectroscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) were performed. It was shown that EPR signal, Raman spectra and morphology, studied by SEM, strongly depend on the ratio of CH₃OH/H₂ in the HF CVD reactor. The peak‐to‐peak line‐width in EPR signal varies from 0.09 to 0.8 mT depending on diamond quality. The Raman spectra of our diamond film showed, except well defined diamond Raman lines positioned at 1332 cm^‐1 with different Full Width at Half Maximum (FWHM), a broad band having maximum at around 1530 cm^‐1 which is characteristic for amorphous carbon phase. The obtained results show that EPR, SEM and Raman spectroscopy yield complementary results about the defects present in CVD diamond films. (© 2010 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Optical and structral properties of pure and Ce-doped nanocrystals of barium titanate

Nanocrystals barium titanate (nc-BT) and Ce-doped barium titanate were synthesized by an unusual hydrothermal process. X-ray diffraction and Raman spectroscopy were used to investigate their microstructures, as well as their lattice vibration and photoluminescence (PL) spectra. Particle sizes as small as 20 nm were measured by X-ray diffraction pattern via Scherer equation. The critical size relative to the cubic-tetragonal transition is about 48 nm in nc-BT below which ferroelectricity vanishes. The lattice parameter ratio c/a of is equal to 1.003, much smaller than 1.01 for that of the bulk crystal, leading to a weakening of ferroelectricity. Hydroxyl defects are observed in the Ce-doped nc-BT samples which show a vibrational band at 3300 em t. Good crystallization character and the lattice perfection were characterized by Raman spectra in the nanophase barium titanate. Strong PL spectra centered at 696 and 585 nm were observed in the pure and Ce-doped nc-BT, respectively. PL dependence on temperature and annealing time was examined. A molecule-like recombination and the charge transfer between Ce⁴⁺ and Ce ³⁺ are proposed to elucidate the luminescence process in the nc-BT and Cc-doped nc-BT system.     

高质量金刚石膜在无氧铜衬底上的MPCVD

本文采用高纯无氧铜(Cu)片作为基片,用自行设计的微波等离子体化学气相沉积系统,制备出了高质量多晶金刚石膜.用场发射扫描电子显微镜(SEM)、Raman散射谱和X射线衍射谱(XRD)对制备的金刚石膜进行了表征与分析,其结果证明金刚石膜具有较优的质量.     

直流等离子体喷射CVD技术制备自支撑金刚石膜的新结构和新形貌

采用30kW高功率直流等离子体喷射CVD技术制备了自支撑金刚石膜的新型结构,通过使甲烷与氢气的浓度比随沉积时间变化的方法,制备了两层、三层和四层结构.扫描电镜结果显示所制备的层结构是由柱状晶和非常细晶粒组成的,而拉曼谱结果表明这层细晶粒具有纳米金刚石的激光散射特征.在甲烷与氢气的浓度比超过15;的沉积条件下,我们发现一种新形貌,这种形貌是由具有非常好的刻面的晶粒构成的.     

退火温度对Co掺杂CeO2稀磁氧化物薄膜的结构和铁磁性能的影响

采用溶胶-凝胶法,在Si(100)和石英玻璃衬底上制备了3;Co掺杂CeO2稀磁氧化物薄膜,研究了不同退火温度(500 ℃, 600 ℃和700 ℃)对薄膜结构和铁磁性能的影响.XRD 和拉曼光谱结果表明,随着退火温度的升高,薄膜晶化度明显提高.不同退火温度下的3;Co掺杂CeO2薄膜为多晶薄膜,且未破坏CeO2原有的结构.随着退火温度的升高, 晶粒尺寸逐渐增大.另外,3;Co掺杂CeO2薄膜在可见光范围内都有很好的透射率,其室温下的光学带隙Eg随退火温度增加而减小.超导量子干涉磁强计(SQUID)测量表明所有样品都表现出室温铁磁性,随着退火温度的升高,饱和磁化强度和矫顽力增大,700 ℃退火的薄膜具有最大的饱和磁化强度和最大的矫顽力.不同退火温度导致样品的磁性有了明显的变化,这源于磁性产生的不同机理.可见薄膜的结构最终影响了其铁磁性能.     

Structural investigation and electronic band transitions of nanostructured TiO2 thin films

Titanium dioxide (TiO₂) thin film was deposited on n‐Si (100) substrate by reactive DC magnetron sputtering system at 250 °C temperature. The deposited film was thermally treated for 3 h in the range of 400‐1000 °C by conventional thermal annealing (CTA) in air atmosphere. The effects of the annealing temperature on the structural and morphological properties of the films were investigated by X‐ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM), respectively. XRD measurements show that the rutile phase is the dominant crystalline phase for the film annealed at 800 °C. According to AFM results, the increased grain sizes indicate that the annealing improves the crystalline quality of the TiO₂ film. In addition, the formation of the interfacial SiO₂ layer between TiO₂ film and Si substrate was evaluated by the transmittance spectra obtained with FTIR spectrometer. The electronic band transitions of as‐deposited and annealed films were also studied by using photoluminescence (PL) spectroscopy at room temperature. The results show that the dislocation density and microstrain in the film were decreased by increasing annealing temperature for both anatase and rutile phases. (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)