MPCVD金刚石单晶的制备及其应用前景

金刚石具有优异的物理化学性能,在很多领域的应用前景十分诱人.用化学气相沉积(CVD)法实现高沉积速率、高质量、大面积金刚石单晶的制备成为了当今研究的一个热点.本文综述了影响微波等离子体化学气相沉积法制备单晶金刚石的工艺参数,并简单介绍了国内外在单晶金刚石制备上的进展,最后对CVD金刚石单晶的应用前景进行了展望.     

CVD法制备高质量金刚石单晶研究进展

本文介绍了制备单晶金刚石的主要方法并对其进行了对比,从籽晶选择、预处理和生长工艺几个方面综述了微波等离子体化学气相沉积法制备金刚石单晶的研究进展,并简单介绍了目前国内外在单晶金刚石制备上的进展,最后对CVD金刚石单晶在电子领域的应用进行了展望.     

MPCVD单晶金刚石高速率和高品质生长研究进展

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一.然而其较低的生长速率(～10μm/h)以及较高的缺陷密度(103～107 cm-2)是阻碍MPCVD单晶金刚石应用的主要因素,经过国内外研究团队数十年的不懈努力,在高速率生长和高品质生长两个方面都取得了众多成果.但是除此之外还需解决高速率与高品质生长相统一的问题,才能实现MPCVD单晶金刚石的高端应用价值.     

MPCVD单晶金刚石生长及其电子器件研究进展

本综述分析了微波等离子化学气相沉积(MPCVD)单晶金刚石生长及其电子器件近年来的研究进展,并对其进行展望.详细介绍了金刚石宽禁带半导体特性、生长原理、生长设备、衬底处理.研究了影响MPCVD单晶金刚石生长的关键因素,为获得最优生长条件提供指导.分析了横向外延、拼接生长、三维生长等关键性生长技术,逐步提高单晶金刚石的质量和面积.在金刚石掺杂的研究中,详细介绍了n型和p型掺杂的研究进展.通过对金刚石肖特基二极管、氢终端金刚石场效应晶体管、紫外探测器的研究,展现了金刚石在电子器件领域的成果和进展.最后总结了MPCVD单晶金刚石生长及其电子应用过程中面临的挑战,展望了金刚石在电子器件领域的巨大应用前景.     

金刚石单晶的化学气相沉积制备及其在粒子探测器件中的应用

自2002年世界上第一颗采用化学气相沉积(CVD)方法制备的大尺寸金刚石单晶被报道之后,碳材料领域在世界范围内再一次掀起了CVD金刚石的研究热潮,单晶CVD金刚石也成为与石墨烯研究热度相当的又一种碳材料。几乎同时,将这种优异的材料在各个可能的相关领域进行应用的研究也随之被广泛地开展起来,这些研究工作逐渐表明:在新世纪单晶CVD金刚石将在能源、太空、信息等领域得到广泛的应用,其对社会生活、国家安全和科技进步将产生巨大的影响。本文在结合我们自己的工作基础上,综述了国内、外在单晶CVD金刚石制备领域的进展及其在粒子探测器件领域的应用。     

用于小角散射原位加载测试的单晶金刚石窗口制备工艺研究

根据小角散射原位加载测试的应用需求,采用自行研制的2.45 GHz/6 kW穹顶式微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置进行高质量单晶金刚石窗口的制备,对晶托结构进行改进,并系统研究了沉积温度对单晶金刚石生长速率、表面形貌、结晶质量、X射线透过率的影响.实验结果表明,新型晶托结构使籽晶表面温度分布均匀,有利于提升单晶金刚石结晶质量;沉积温度1000℃下制备单晶金刚石样品表面形貌、拉曼曲线半峰宽、摇摆曲线半峰宽、X射线透过率均优于其它温度的样品,并最终在该温度下制备出Φ7 ×0.5 mm2的单晶金刚石窗口.经测试,样品生长速率可达11.6 μm/h,厚度偏差小于±2;,其Raman半峰宽为2.08 cm-1,XRD摇摆曲线半峰宽为28arcsec,PL谱中未出现与氮相关的杂质峰,X射线透过率超过80;且窗口耐压达到27 MPa,所有性能均满足小角散射原位加载测试的应用需求.     

人造金刚石/金属包膜界面差异性研究进展

在高温高压条件下,利用过渡族金属触媒合成金刚石单晶时,金刚石单晶表面的金属包膜在不同的生长界面上呈现不同形貌花样,揭示其本质对研究金刚石单晶的合成机理具有重要意义.本文从金属包膜不同界面间在形貌、成分、组织结构等方面的差异性出发,阐述了近年来人造金刚石单晶生长机理的研究现状,同时又提及余氏理论和程氏理论在金属包膜界面研究中的应用.并在此基础上提出今后的研究方向.     

N型半导体金刚石的研究现状与展望

作为半导体材料的金刚石具有宽的禁带宽度和高的热导率、介质击穿场强等优异性质,因此其应用前景广阔.P型金刚石发展较N型金刚石成熟.因为缺乏可实用的N型金刚石材料,这使得金刚石半导体器件的应用难以实现.因此N型半导体金刚石成为研究者关注的焦点.论文从掺杂元素和制备方法两方面详细介绍了国内外N型金刚石的研究现状.硼与磷或硫元素共掺杂获得N型金刚石的研究取得了较大进展;利用化学气相沉积法和离子注入法制备N型半导体金刚石研究较多且取得了一定进展.高压高温下的温度梯度法便于掺杂调控金刚石性能,因而利用该法合成N型半导体金刚石大单晶值得尝试.     

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.     

人造金刚石单晶生长机理的金属包膜研究进展

在高温高压条件下,利用触媒合金合成金刚石单晶过程中,包覆着金刚石单晶的金属薄膜起着极其重要的作用,揭示其本质对解释金刚石合成机理有着重要的意义.本文从金属包膜的形貌、成份、组织结构以及余氏理论和程氏理论在金属包膜研究中的应用等方面阐述了人造金刚石生长机理的研究现状.在此基础上提出了今后的研究方向.     

rGO/TiO2及其三元复合材料光催化性能的研究进展

rGO/TiO2复合材料优异的光催化性能为其在有机染料降解,雨水消毒和催化析氢等方面的应用提供可能,通过与金属、金属化合物或高聚物复合可提升光催化效率和化学稳定性.分析反应机理,阐述现阶段研究的重点和不足,同时对未来发展和应用进行展望.     

大尺寸单晶金刚石磨抛一体化加工研究

金刚石因其优异的物理性质被视为下一代半导体材料,然而其极高的硬度、脆性和耐腐蚀性导致其加工困难,尤其是对于大尺寸的化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)单晶金刚石(SCD)晶片而言,目前还缺乏一种高效、低成本的磨抛加工方法。本文提出一种基于工件自旋转的同心双砂轮磨抛一体化加工技术,在一次装夹中,先采用金刚石磨料的陶瓷内圈砂轮磨削单晶金刚石晶片表面,将单晶金刚石表面迅速平坦化,后采用金刚石与CuO混合磨料的外圈溶胶-凝胶(sol-gel,SG)抛光轮抛光单晶金刚石晶片表面,使其在较短时间内完成从原始生长面(Sa约46 nm)到原子级表面精度(Sa＜0.3 nm)的加工。磨削加工中,硬质金刚石磨料的陶瓷砂轮高速划擦金刚石晶片表面,在强机械作用下获得较大的材料去除以及纳米级的光滑单晶金刚石表面,同时引起进一步的表面非晶化;SG抛光加工中,硬质金刚石磨料高速划擦单晶金刚石表面形成高温高压环境,进一步诱导CuO粉末与单晶金刚石表面的非晶碳发生氧化还原反应,实现反应抛光。磨抛一体化的加工技术为晶圆级的单晶、多晶金刚石的工业化生产提供借鉴。     

助熔剂法生长的PLZST单晶的缺陷研究

本文介绍了助熔剂缓慢降温自发成核法生长的稀土掺杂锆钛锡酸铅镧(PLZST)晶体中出现的几种缺陷：包裹体、开裂、位错、枝晶,分析了这些缺陷的形成机理并提出了减少和消除这些缺陷的一些措施。     

KTP晶体的电光研究进展

本文简述了KTP晶体的电光性能并与KD*P、LN晶体进行了比较。概括了KTP晶体电光器件研究的主要进展。对水热法生长的KTP晶体和熔剂法生长的KTP晶体在电光应用中的优缺点进行了分析。最后介绍了熔剂法生长的低电导率KTP晶体在电光领域的应用研究。     

ZnS/g-C3N4复合型催化剂的制备及其可见光光催化性能

利用共沉淀的方法制备了ZnS/g-C3N4复合型催化剂,并考察其在可见光区对罗丹明B的光降解性能的影响机制.采用TEM、BET、XRD、ICP、FT-IR和XPS等分析手段表征了样品,并评价了样品的光催化活性.结果表明,与g-C3N4相比,ZnS负载量为5wt;的ZnS/g-C3N4催化剂活性会更高一些,且经过四次循环实验后样品的光催化性能未明显失活.这可能归因于ZnS和g-C3N4所形成的异质结构提高了光催化效率.     

Ge掺杂β-Ga2O3晶体的发光性能研究

采用浮区法(FZ)生长Ge掺杂β-Ga2O3晶体,利用XRD和Raman光谱研究了掺杂对晶体结构的影响.透射光谱测试表明,随着Ge离子掺杂浓度增加,Ge∶ β-Ga2O3晶体光学带隙增大.在4.67 eV紫外光激发下,Ge∶ β-Ga2O3晶体的发光强度与β-Ga2O3晶体相当,发光衰减时间比β-Ga2O3晶体更快.     

氮化镓纳米固体的合成及其激光拉曼光谱

利用氨热法合成了一种新型致密材料—氮化镓纳米固体。该纳米固体呈淡黄色,半透明,其组成颗粒的平均粒径为12nm,为六方纤锌矿型结构。与氮化镓单晶相比,在该纳米固体的激光拉曼光谱上观察到了由于纳米尺寸效应而引起的E2(high)声子带的红移、带的宽化和新的声子带(656cm-1和714cm-1)的出现     

热注射法合成Cu2 SnSe3纳米晶及其光电转换性能

以乙酰丙酮铜、无水氯化亚锡为金属源,Se/OLA悬浊液为硒源,在油胺溶剂中热注射合成了Cu2 SnSe3纳米晶.采用TEM、XRD、EDS分别对典型纳米晶产物的形貌、物相和组成做了分析表征.通过不同反应温度的条件实验,研究了反应温度对最终产物的影响,探讨了相关规律.采用光电化学池评价了纳米晶的光电转换性能,结果表明Cu2 SnSe3纳米晶光电转换性能优良,表现出较好的应用前景.     

添加剂对硝酸钾结晶习性影响的研究

研究了Fe3+、Bi3+、pb2+、EDTA、柠檬酸、季铵盐和十二烷基磺酸钠共7种添加剂对硝酸钾结晶习性的影响,对不同添加剂在晶体表面的吸附机制进行了初步探讨.结果表明,随金属离子Bi3+、pb2+和EDTA浓度的增高,硝酸钾晶体c轴方向生长速度增大,晶体呈棒状;当柠檬酸添加量为100mg/L时,硝酸钾变为长片状;其他添加剂对硝酸钾结晶习性的影响效果则不明显.尽管某些添加剂可以改变硝酸钾的结晶习性,但粉末衍射和单晶衍射分析进一步证明,添加剂并未改变其晶胞参数及结构.     

衬底的Al化处理对AlN性能的影响

研究了衬底的Al化处理对采用MOCVD法在c面蓝宝石衬底上高温生长AlN外延层的影响机制.通过原位监测监控整个外延生长过程,同时对AlN外延层的表面形貌和晶体质量以及应变状态进行表征研究.结果表明衬底的Al化处理导致AlN外延层的表面更加平整但是晶体质量下降,同时对外延层的应变也有很明显的影响.