高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。     

FeNi、NiMnCo及其复合触媒中Ⅰb型金刚石的生长特性

本文以Ni₇₀Mn₂₅Co₅和Fe₆₄Ni₃₆合金及其复合合金作为触媒,采用高温高压温度梯度法在5.6 GPa压力下,对不同温度下沿(100)晶面生长的Ⅰb型金刚石的生长特性进行了研究,研究表明:以Fe₆₄Ni₃₆触媒合成出的金刚石在以(111)晶面为主的晶形高温生长范围内出现了一段约50 K范围的裂晶生长区,而以Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒合成的金刚石在生长温度范围内,特别是在以(111)晶面为主的晶体生长高温区域内容易出现连晶缺陷;高温下Fe₆₄Ni₃₆触媒过度熔融可能是晶体容易产生裂晶的原因,Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒熔体黏性较低可能是容易形成连晶的原因;采用两种触媒复合的方式有效避免了裂晶和连晶的产生;拉曼光谱表征发现连晶的晶体内部质量与单晶的晶体质量相近,裂晶中晶格畸变和杂质较多,晶体内应力较大,复合触媒体系合成的金刚石晶体内应力小,质量好。     

β-Ga2O3晶体金刚石线锯切割的表面质量研究

本文探究了往复式金刚石线锯的工艺参数对β-Ga₂O₃单晶沿(001)晶面切片时表面质量的影响,从压痕断裂力学理论角度探究了金刚石线锯切割β-Ga₂O₃单晶过程中磨粒行为和材料去除机理。实验从各向异性角度分析了切割方向对(001)面β-Ga₂O₃单晶切割片表面质量的影响,并采用SEM和SJ-210粗糙度测试仪探究了工艺参数对金刚石线锯切割后的晶片表面质量的影响。实验结果表明,增大锯丝速度或减小材料进给速度都能降低亚表面损伤层深度及表面粗糙度,有效改善晶片表面质量。     

高纯低位错密度单晶金刚石的制备与表征

金刚石以高导热率、强抗辐射性、高的电子迁移率等优异性能，成为辐射探测器最合适的材料之一。探测器级的金刚石要求具有极低的杂质含量及位错密度等，然而实际过程中同时实现杂质和位错的控制十分困难。本研究采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法，通过前期的参数优化，在最佳生长温度780℃、最佳甲烷浓度5%条件下，在两个高质量高温高压(HPHT)金刚石衬底样品上进行了MPCVD金刚石生长，并对衬底和生长层的氮杂质含量与缺陷结构进行了综合表征与分析。电子顺磁共振谱结果表明，相比两个HPHT衬底样品的氮杂质原子百分数分别为7.1×10^-6%和4.04×10^-6%,MPCVD生长层的氮杂质原子百分数明显减少，分别为2.1×10^-7%和5×10^-8%。由X射线摇摆曲线和白光形貌术测试结果发现，尽管MPCVD生长过程中引入了部分位错，使生长层应力增加，畸变区域较多，但总体位错与高质量衬底为同一数量级。本研究制备的高纯单晶金刚石有望应用于核辐射探测及半导体领域。     

激光浮区法生长TbYO3晶体

随着高功率固态激光器和光纤激光器的发展，对可见光-近红外区域的光学隔离器要求逐渐增加。目前设备原件正趋于小型化发展，工业应用最广泛的铽镓石榴石(TGG)晶体因其较小的Verdet常数，无法满足未来高功率激光器的需要。Tb₂O₃具有较高的Verdet常数，但是高熔点和相变机制使其难以通过常规提拉法进行单晶生长。本研究通过向Tb₂O₃中掺杂Y₂O₃,研究了不同掺杂浓度下(Tb_xY_1-x)₂O₃的晶体生长。在n(Tb)∶n(Y)=1∶1时，通过激光浮区(LFZ)法生长了TbYO₃单晶，而纯净的Tb₂O₃和(Tb_0.3Y_0.7)₂O₃单晶无法通过该方法合成。TbYO₃晶体具有较高的Verdet常数(445...     

硫硒元素掺杂金刚石表面的生长位点研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了硫(S)掺杂、硒(Se)掺杂以及硫硒共掺杂金刚石基底对化学气相沉积金刚石涂层时的不同活性基团的吸附生长过程，计算分析了三种不同基底对沉积气氛中不同碳氢基团(C、CH、CH₂、CH₃)的吸附能、Mulliken电荷分布和化学键重叠布居数等性质。计算结果表明：硫掺杂模型与C、CH和CH₂之间，硒掺杂模型与C、CH基团之间，硫硒共掺杂模型与C、CH和CH₂之间都通过电荷转移形成了共价键，硫掺杂模型与CH基团以及硫硒共掺杂模型与C基团之间的成键很接近理想金刚石的C—C键，添加硫元素和硒元素可以在原有的金刚石颗粒同质外延生长的基础上增加更多生长活性位点。     

自支撑氮化硅膜结构制备工艺优化

自支撑氮化硅膜结构一般是基于微纳加工技术来制备的。为了提高膜结构的品质,本文分别对自支撑氮化硅膜结构制备中的干法刻蚀参数和各向异性湿法腐蚀参数进行了研究和优化,其中干法刻蚀参数主要包括反应气体配比和刻蚀时间,各向异性湿法腐蚀参数主要包括腐蚀剂浓度和腐蚀温度。在不同的参数组合下进行实验,使用光学显微镜观察并比较不同样品的表面形貌,得到了较理想的参数组合。在干法刻蚀的反应气体中加入少量O₂可改善刻蚀效果,反应气体配比V(SF₆)∶V(CHF₃)∶V(O₂)=6∶37∶3,刻蚀时间2 min。湿法腐蚀中腐蚀剂在质量分数25%处达到最大的硅腐蚀速率,同时氮化硅表面形貌也较理想。     

红外LED用GaAs单晶的垂直梯度凝固制备研究

GaAs单晶是当前光电子器件的主要衬底材料之一，在红外LED中有着重要应用。但杂质浓度高、迁移率低等缺点会严重影响红外LED器件性能。为生产出低杂质浓度、高迁移率、载流子分布均匀、高利用率的红外LED用掺硅垂直梯度凝固(VGF)法GaAs单晶，本文研究了热场分布、合成舟和炉膛材质、工艺参数对单晶的成晶质量、杂质浓度、迁移率、载流子分布的影响。利用CGSim软件对单晶生长热场系统进行数值模拟研究，温区一至温区六长度比例为8∶12∶9∶5∶5∶7时，恒温区达到最长，位错密度达到1 000 cm^-2以下，成晶率达到85%。采用打毛石英合成舟进行GaAs合成，用莫来石炉膛替代石英炉膛，可以获得迁移率整体高于3 000 cm²/(V·s)的GaAs单晶，满足红外LED使用要求。对单晶生长工艺参数展开研究，采用提高头部生长速度、降低尾部生长速度的方式提高单晶轴向载流子浓度均匀性，头尾部载流子浓度差降低33%,尾部迁移率从2 900 cm²/(V·s)提高到3 560 cm²/(V·s)。单晶有效利用长度提高33...     

直流辉光放电CVD法均匀生长纳米金刚石薄膜的研究

采用直流辉光放电化学气相沉积设备,以H2/CH4/Ar混合气体为工作气体,在2英寸硅片沉积出了晶粒尺寸为20～ 40 nm的纳米金刚石薄膜.采用SEM、Raman、微摩擦试验机等分析了不同CH4浓度、Ar浓度对NCD薄膜生长特性的影响.研究结果表明:金刚石薄膜的晶粒尺寸随着CH4浓度的增加而减小,但是过高的CH4浓度会导致石墨相大量生成;随着Ar浓度的增加,金刚石薄膜的晶粒尺寸逐渐细化,但过量Ar的掺入会降低金刚石薄膜的质量;在合适的工艺参数下,薄膜摩擦系数最低可以降低到0.12,NCD薄膜的最大沉积直径为140 mm.     

喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和化学反应路径的数值模拟研究

利用数值模拟方法,结合反应动力学和气体输运过程,研究喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和气相反应路径与反应前体流量(NH₃和 H₂)、进口温度、压强、腔室高度等参数的关系。研究发现:薄膜生长前体和纳米粒子前体的浓度决定了不同的生长速率和气相反应路径。在低Ⅴ/Ⅲ比(2 000)、高H₂流量(12 L/min)、高进口温度(700 K)、低压强(2 kPa)、低腔室高度(5 mm)等条件下,气相反应路径由加合路径和热解路径并存,生长速率较高。反之,化学反应路径则由加合路径主导,生长速率较低。上述参数对反应路径的影响原因包括:气体流量(NH₃和H₂)较大,反应前体被带出生长区域或被稀释;低压强和低腔室高度使粒子碰撞频率降低、驻留时间缩短,进而削弱了寄生反应;进口温度导致温度梯度的变化。     

A novel technique to reduce the concentration of carbon in LEC gallium arsenide

An in-situ method has been developed to reduce the concentration of carbon in the liquid encapsulated growth of gallium arsenide. Sublimated As₂O₃ was bubbled through a GaAs melt to remove carbon via the production of CO₂. When a melt of known high starting carbon concentration ( 30 × 10¹⁴ atoms/cm³) was bubbled with As₂O₃, the subsequent crystal contained 4 × 10 ¹⁴ carbon atoms/cm³. This low carbon crystal was subsequently carbon doped and regrown, demonstrating the ability to return As₂O₃ treated GaAs to desired carbon concentrations and electrical properties.     

制备方法对Al2O3-CeO2物化性质及CO2加氢制甲醇催化性能的影响

复合氧化物界面性质与CO₂加氢制甲醇反应的催化性能有着重要的关系。本文对比考察了物理共混法、浸渍法、传统共沉淀法和微流控连续共沉淀法对Al₂O₃-CeO₂复合氧化物界面性质和催化性能的影响。浸渍作用尽管使Al₂O₃/CeO₂界面产生了一定的结构性质调变,但贫瘠的氧空位缺陷导致催化反应效率低。共沉淀样品中固溶结构的存在增强了Al₂O₃/CeO₂界面的相互作用,增大了电子结合能,形成的大量氧空位缺陷有利于CO₂活化转化。而微流控连续共沉淀法合成样品因具有更小的晶粒尺寸、均匀的复合相结构和丰富的氧空位缺陷,表现出更为优异的催化性能。在原料气配比为V(H₂)∶V(CO₂)∶V(N₂)=72∶24∶4,反应温度为320 ℃,反应压力为3 MPa,体积空速为9 000 mL·g^-1·h^-1的条件下,Al₂O₃-CeO₂复合氧化物的CO₂转化率、甲醇选择性及甲醇时空产率分别达到15.3%,86.4%和0.076 g·mL^-1·h^-1。     

MeCeOx(Me=In,Zr)固溶催化剂制备及催化合成碳酸二甲酯研究

采用液相共沉淀法制备了MeCeO_x(Me=In,Zr)双金属氧化物固溶催化剂。借助X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温还原(H₂-TPR)、程序升温脱附(CO₂-TPD、CH₃OH-TPD)及漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)等手段对催化剂物化性质进行了分析表征。在系统考察不同金属氧化物种类和掺杂量的基础上,对比研究了不同金属氧化物掺杂改性CeO₂制得固溶催化剂的结构性质及催化行为。结果表明:不同金属氧化物掺杂改性制得的MeCeO_x(Me=In,Zr)双金属氧化物,由于形成的固溶结构增大了氧空位缺陷浓度;InCeO_x具有最大的氧空位缺陷浓度和CO₂、CH₃OH分子化学吸附量;在反应压力1.0 MPa、反应温度140 ℃,反应空速(GHSV)3 600 mL/(g·h)、V(CO₂)/V(CH₃OH)/V(N₂)=4∶1∶5条件下,InCeO_x表现出优异的催化性能,碳酸二甲酯(DMC)选择性91.3%,CH₃OH转化率8.4%,碳酸二甲酯STY(时空产率)达0.11 g_DMC·h^-1·g^-1_cat。原位红外分析进一步揭示了氧空位活化CO₂及中间体单配位甲氧基的形成是碳酸二甲酯高选择性的关键。     

Czochralski grown Ga2O3 crystals

We report on the successful growth of β-Ga₂O₃ single crystals using the Czochralski method. Model calculations show that the gas phase consists of Ga₂O, GaO or Ga independent of the ratio of oxygen and Ar or N₂. We find that for growing single crystals the evaporation has to be suppressed by a finite amount of oxygen. A CO₂/Ar gas atmosphere was found to meet this requirement.     

碳酸钙掺杂对Ⅰb型金刚石沿不同晶面生长行为的影响

作为天然金刚石生长环境的碳酸盐,研究其掺杂对人造金刚石晶体生长行为的影响具有重要的学术价值。本文运用高温高压下的温度梯度法,将碳酸钙(CaCO₃)按照不同比例掺杂到金刚石合成腔体内的碳源中,用以研究其掺杂对金刚石分别沿(100)或(111)晶面生长行为的影响。利用光学显微成像对掺杂合成金刚石晶体形貌的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)面生长的金刚石晶形由塔状变为板状且出现了裂晶、连晶现象,晶体颜色先变浅再变黑,内部出现了包裹体;同样,沿(111)面生长的金刚石晶形由板状逐渐变为塔状且出现了裂晶、孪晶现象,晶体颜色逐渐变黑,内部包裹体增多。用激光拉曼光谱对掺杂金刚石晶体质量的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)或(111)面生长的掺杂金刚石的拉曼峰位偏移量均增大,半峰全宽均变大。这说明碳酸钙掺杂使得金刚石晶格畸变增加、内应力变大。本文对碳酸钙掺杂影响沿两不同面生长金刚石的晶形、颜色、内部质量等行为的成因进行了分析,为本课题后续研究奠定了基础。     

DMF体系中Cu2O球晶的制备及形貌分析

以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,通过改变铜源和表面活性剂,调控反应参数,溶剂热条件下制备了三维十字形、空心及实心的Cu₂O球晶。利用XRD、SEM等表征手段,分析探讨了工艺条件变化对Cu₂O球晶形貌的影响。研究表明,随着DMF浓度的增大,体系的还原能力增强,Cu⁺增多,溶液的过饱和度增大,Cu₂O晶体集合体形态由晶体结构控制的各向异性与对称性的球晶逐渐向各向同性球晶演变。十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等表面活性剂有助于降低溶液的过饱和度,增加结晶质的表面扩散能力,有利于规则形态Cu₂O晶粒的形成。反应体系中,Cu(Ac)₂·H₂O水解生成的羧基与DMF中的甲酰基在高温下发生脱羧反应产生CO₂气体以及SDS发泡作用产生的气体是形成空心Cu₂O球晶的重要原因。     

Cs2HfCl6和Cs2HfCl6∶Tl晶体的生长、光学和闪烁性能研究

本文使用坩埚下降法制备了ø7 mm的未掺杂Cs₂HfCl₆与Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl(摩尔分数)单晶,对晶体样品进行了物相、杂质含量、光学和闪烁性能的研究。该晶体属于立方晶系,空间群为Fm3m。在荧光和X射线激发下,未掺杂Cs₂HfCl₆晶体的发光主峰皆为380 nm,对应于自陷激子发光。Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体在荧光和X射线激发下,发射光谱中除了存在380 nm处的自陷激子发光,也存在505 nm处Tl⁺的sp-s²跃迁发光。Cs₂HfCl₆和Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体的光输出分别为37 000 photons/MeV和36 500 photons/MeV,在662 keV处的能量分辨率皆为3.5%。在¹³⁷Cs源激发下,Cs₂HfCl₆晶体的闪烁衰减时间为0.37 μs (4.2%)、4.27 μs (78.9%)和12.52 μs (16.9%),Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体的闪烁衰减时间为0.33 μs (3.5%)、4.09 μs (81.9%)和10.42 μs (14.5%)。