直喷式直流电弧等离子化学气相沉积法金刚石单晶外延层制备研究

采用非循环直流喷射(直喷式)直流电弧等离子化学气相沉积法,在Ar/H2/CH4气氛下,成功制备了金刚石单晶外延层.试验采用的是3 mm×3 mm×1.2 mm的高温高压Ib型金刚石单晶衬底.研究了不同衬底温度和甲烷浓度对金刚石单晶外延层的形貌,速率和晶体质量的影响.采用光学显微镜,激光共聚焦表征了样品的形貌,利用千分尺测量其生长速率,利用Raman表征其晶体质量,采用OES诊断Ar/H2/CH4等离子气氛下C2、CH与Hβ的相对浓度.研究表明,温度和甲烷浓度对单晶刚石形貌和质量产生了明显的影响.在衬底为温度980℃,甲烷浓度在1.5;的条件下,生长速率达到了36 μm/h,并且晶体质量较好(半高宽仅为1.88 cm-1).同时发现生长参数对金刚石单晶外延层的生长模式有着显著地影响.     

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.     

MPCVD生长单晶金刚石及发射光谱分析

在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)生长单晶金刚石过程中,测量了近衬底附近等离子体发射光谱(OES),研究了甲烷浓度对等离子体中基团谱峰强度的影响,分析了等离子体中基团谱峰相对强度与金刚石生长速率、质量的关系.利用激光拉曼光谱(Raman)和扫描电镜(SEM)对生长之后的单晶金刚石进行表征.结果表明:随着甲烷浓度的提高,Hα基团谱峰几乎不变,C2、Hβ、Hγ和CH基团谱峰强度均增加,而C2基团增加显著.同时,基团谱峰相对强度比值I(Hγ)/I(Hβ)、I(C2)/I(CH)和I(C2)/I(Hα)也都随着甲烷浓度的提高而增加.I(C2)/I(CH)比值的升高不利于单晶金刚石的生长.生长速率测试表明,单晶金刚石的生长速率随I(C2)/I(Hα)比值的增大而增加,当I(C2)/I(Hα)小于0.35时,生长速率呈现指数快速增加,超过这个值之后,增长趋势变缓,生长速率呈线性增加.     

以H2SO4为添加剂降温法生长PET晶体

采用H2SO4作为季戊四醇(PET)晶体生长的添加剂,用溶液降温法在5 L生长槽内生长出45 mm×45 mm×40 mm 的PET单晶,生长速度达到1.5 mm/d,比纯态溶液生长晶体的速度提高2倍.采用XRD、FT-IR和TG等测试方法对晶体进行表征,实验表明添加剂H2SO4不影响晶体的结构完整性.     

不同反应气氛下氢终止金刚石表面的活化性能

为了探究金刚石沉积过程中不同反应气氛下萃取基团对金刚石表面活化的影响,基于金刚石的同质外延生长机理,采用第一性原理平面波赝势方法分析了三种萃取基团(H、OH、Cl)在氢终止的金刚石[100]表面的吸附难易程度;并通过过渡态搜索计算,获得了CH4/H2,CH4/H2/CH3 COCH3,C2 H5 Cl/H2三种反应气氛下金刚石氢终止表面产生活性位点的反应热及活化能.经对比分析后发现,H、OH、Cl在氢终止金刚石表面的吸附能逐渐增强,且Cl萃取金刚石表面氢原子产生活性空位的能垒最低.因而,在传统的CH4/H2气氛中引入氧元素或氯元素能有效降低金刚石表面活化所需的能量.     

MPCVD法纳米金刚石膜的制备及分析

利用MPCVD方法在玻璃基片上成功的制备了非常光滑、致密均匀的纳米金刚石膜.沉积工艺分为两步:成核,CH4/H2=3;;生长,O2/CH4/H2=0.3:3:100;沉积过程中保持工作压力为4.0kPa,衬底温度500℃.拉曼、透射电镜、红外光谱、表面轮廓仪等的测试表明:膜层由纳米级金刚石晶粒组成,最大晶粒尺寸小于100nm,成核密度大于1011/cm2.成核面晶粒的点阵常数较大,表明存在较多缺陷,表面粗糙度小于2nm,在可见光区完全透明,红外光学性能接近金刚石单晶理论值.     

CH4NS掺杂金刚石的高压合成及其色心研究

压力、温度分别为6.5 GPa、1300 ～1350℃的实验条件下,在FeNi-C体系中添加硫脲(CH4N2S),利用温度梯度法成功合成了掺杂CH4 N2S的金刚石.光致发光(PL)光谱测试结果表明:所合成的金刚石晶体中均有尖锐的Raman峰存在,且该峰位于522 nm处;当合成体系中CH4N2S的添加量为1 mg时,所对应的晶体中未发现有NV色心存在,但在以晶种(100)面生长的金刚石晶体中出现了3H色心,并且3H色心会随着合成体系中CH4N2S添加量的增加逐渐消失.当合成体系中添加2 mg的CH4N2S时,以(111)面为生长面所合成的金刚石晶体中同时含有NV0和NV-色心,此时NV-色心所对应的PL谱的强度是所有晶体中最强的.当合成体系中添加3 mg的CH4N2S时,不管以(100)还是(111)为生长面,所获得的金刚石晶体中只含有NV-色心.     

氩气浓度对氮掺杂金刚石膜的影响

采用直流热阴极等离子体化学气相沉积(DC-PCVD)方法,以三聚氰胺(C3H6N6)的甲醇(CH3OH)饱和溶液为掺杂源,通过改变反应气氛中的Ar浓度,在P型Si(111)基片上沉积了氮掺杂纳米金刚石膜.采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、霍尔测试系统等分析了不同Ar浓度对氮掺杂金刚石膜生长特性的影响.结果表明:随着Ar浓度的增加,膜的晶粒尺寸逐渐减小,表面变得光滑平整;由拉曼G峰漂移引起的压应力先减小后增大;膜的导电性能变好.且由于C3H6N6的引入,使得在较低的Ar浓度下(H2/Ar流量比为100/100时),即可制得晶粒尺寸在30 ～ 50 nm的高质量的金刚石膜样品,远低于H2/Ar体系的Ar浓度为90;的阈值.     

氧气流量对MPCVD制备微/纳米双层金刚石膜的影响

应用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,以CH4/H2/Ar为主要气源,成功制备出了微/纳米双层金刚石膜.同时,在纳米膜层生长过程中,通过添加O2辅助气体,研究了不同O2流量对微/纳米金刚石膜生长的影响.结果表明,当O2流量在0 ～ 0.8 sccm范围时,所获得的金刚石膜仍为微/纳米两层膜结构;当氧气流量增加到1.2 sccm时,金刚石膜只有一层微米膜结构;而O2流量在0～ 1.2 sccm范围时,纳米层晶粒尺寸及品质与氧气流量成正比例关系.表明适量引入O2可以促进纳米层晶粒长大和提高膜品质.另外,当O2流量为0.8 sccm,所制备的微/纳米金刚石膜不仅品质好,而且生长率也较高.     

用不同粒度的籽晶生长优质宝石级金刚石单晶

利用温度梯度法生长宝石级金刚石单晶过程中,由于籽晶接收碳源能力有限,单一晶种将很难完全吸收扩散下来的碳源,因而导致籽晶的粒度对晶体生长速度和品质都会产生很大影响.随着籽晶粒度的增大,晶体的生长速度增幅非常明显,但不是粒度越大越好,存在临界粒度,超过临界粒度,优质单晶就很难生长.以NiMnCo触媒为例,籽晶粒度由0.5mm增加到2.0mm后,晶体的生长速度可由1.0mg/h提高到3.0mg/h,但籽晶粒度超过2mm后,晶体内部包裹体大幅度增加.