气体法掺硼制备双面金刚石电极的研究

本文根据制备双面电极所要的温度场流场需求,设计了一个悬挂式的沉积平台,以满足工业级金刚石电极的制备需要.利用B2H6气体掺杂的方法制备不同掺杂浓度的金刚石电极,用SEM、Raman、四探针电阻仪对掺杂金刚石膜进行了分析,同时对制成的电极做了电化学性能的测试.结果表明,在设计的平台上可以制备出高质量的金刚石薄膜,B掺杂对金刚石膜的成分结构影响比较大,随着掺杂浓度的提高,晶粒细化明显,掺杂浓度过高薄膜质量下降.电化学性能的检测表明,气体掺杂的效率比较明显,在2000 ～4000 ppm较低浓度下,电极已经表现出良好的电化学性能.     

单晶金刚石p型和n型掺杂的研究

超宽禁带半导体材料金刚石在热导率、载流子迁移率和击穿场强等方面表现出优异的性质,在功率电子学领域具有广阔的应用前景。实现p型和n型导电是制备金刚石半导体器件的基础要求,其中p型金刚石的发展较为成熟,主流的掺杂元素是硼,但在高掺杂时存在空穴迁移率迅速下降的问题;n型金刚石目前主流的掺杂元素是磷,还存在杂质能级深、电离能较大的问题,以及掺杂之后金刚石晶体中的缺陷造成载流子浓度和迁移率都比较低,电阻率难以达到器件的要求。因此制备高质量的p型和n型金刚石成为研究者关注的焦点。本文主要介绍金刚石独特的物理性质,概述化学气相沉积法和离子注入法实现金刚石掺杂的基本原理和参数指标,进而回顾两种方法进行单晶金刚石薄膜p型和n型掺杂的研究进展,系统总结了其面临的问题并对未来方向进行了展望。     

硼掺杂金刚石薄膜研究

硼掺杂是改善金刚石薄膜电阻率的有效手段,被认为是将金刚石薄膜用于制备电化学电极的途径.本文通过CVD法在单晶硅片上制得掺硼金刚石薄膜(BDD),并采用四点探针、扫描电镜、激光拉曼和电化学工作站对之进行检测,发现随着硼掺入量的增加,薄膜电阻率逐渐降低,重掺杂时可达2.0×10-3Ω·cm.同时金刚石薄膜的固有质量出现恶化,表现为金刚石晶粒的碎化以及拉曼观察到的薄膜内应力的增加和非金刚石峰的出现.对薄膜电极进行电化学测量发现BDD电极在酸性溶液中具有非常宽的电位窗口和高的阳极极化电位,且背景电流极低.     

掺硼金刚石膜研究进展及应用

掺硼金刚石在原有金刚石高硬度、高稳定性、良好的生物相容性等优良性能的基础上,具有半导体甚至低温超导特性,以及宽的电化学势窗、低背景电流等电化学优势。目前,掺硼金刚石膜被公认为是极佳的电化学电极材料,大量研究工作集中在硼的掺杂方式、掺硼金刚石膜微观形貌控制、掺硼金刚石膜表面修饰等方面,以优化掺硼金刚石膜的性能,拓展其应用空间。本文基于对掺硼金刚石结构的认识,综述了其电学及电化学性能研究进展,阐述了其主要制备方法。并分析了掺硼金刚石膜作为电极在消毒杀菌、废水处理、超级电容器、生物传感器等领域的应用现状及前景。     

铜掺杂类金刚石纳米点阵列的制备及场发射性能研究

利用磁过滤等离子体结合氧化铝模板(AA0)技术在室温下制备了具有优异场发射性能的铜掺杂类金刚石(DLC)纳米点阵列.微观分析表明,铜掺杂类金刚石纳米点阵列分布均匀,密度高达109cm-2;利用X射线光电子能谱对制备的铜掺杂类金刚石纳米点阵列进行结构分析,测得铜的掺杂量为3.6;且sp3键含量高达60;;通过对铜掺杂类金刚石纳米点阵列的场发射性能测试,试验结果表明,铜掺杂类金刚石纳米点阵列开启电场和阈值电场分别为0.08V/μm,0.42V/μm,并且在电场值为0.67V/μm时,发射电流密度高达95mA/cm2,场发射性能明显优于无掺杂类金刚石纳米点阵列.     

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.     

氢气浓度对掺氮超纳米金刚石薄膜的影响

采用微波等离子体化学气相沉积法,以甲烷和氮气为气源,通过改变反应气体中氢气的浓度,在硅衬底上沉积出掺杂氮的超纳米金刚石膜.并利用扫描电子显微镜,拉曼光谱仪,X射线衍射仪,霍尔效应测试仪分别对掺杂氮的超纳米金刚石膜的表面形貌,组成结构及导电性能进行了进行表征,重点研究了氢气浓度对薄膜特性的影响.结果表明:随着氢气浓度的增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐增大;薄膜的质量提高,且由G峰漂移引起的压应力逐渐减小;薄膜导电性变差.     

微米及纳米WC-Co基BDD污水处理电极的制备研究

硼掺杂金刚石(BDD)是高级氧化法污水处理领域的一种电极材料，其衬底材料的选择是电极涂层制备的核心问题之一，良好的衬底材料可提高膜基结合力，从而延长电极的使用寿命。本文提出以热膨胀系数较小的WC-Co为衬底，采用热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备微米、纳米两种表面形貌的BDD电极，并利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)、循环伏安法对两种电极的物理性能、表面状态及电化学性能进行表征，研究结果表明：在沉积速率方面，微米薄膜是纳米薄膜的1.5倍，但纳米薄膜具有更小的残余应力，仅为-0.6 GPa;两种电极在0.5 mol/L的H₂SO₄溶液中均展现较宽的电化学窗口(约为3.7～3.9 V)和极小的背景电流，在K₃[Fe(CN)₆]氧化还原系统中表现出良好的准可逆特性，这些特性均与常规Si、Nb、Ti基BDD电极相似。在此基础上，本文对两种电极开展了苯酚模拟废水处理和加速寿命试验(ALT),结果显示：相同参数下，纳米电极在ALT中使用寿命约为423 h,明显优于微...     

硼协同掺杂金刚石单晶的高温高压合成

金刚石是一种具有优异性能的极限性超硬多功能材料。人工合成的金刚石可通过掺杂的方式使其具有各种独特的性质。掺硼金刚石兼具p型半导体的导电特性和金刚石自身优良的物理和化学性能,在国防、医疗、勘探、科研等领域具有极高的应用价值。本文基于本课题组高温高压(HPHT)法合成的系列掺硼金刚石以及硼协同掺杂金刚石单晶,进行了硼掺杂金刚石、硼氢协同掺杂金刚石以及硼氮协同掺杂金刚石的合成和性能特征等方面的研究。通过表征合成样品在光学、电学方面的性能,探讨了不同掺杂添加剂对合成金刚石性能的影响,为合成高性能的半导体金刚石提供了思路。     

离子液体辅助溶胶-凝胶法制备ZnO∶Al透明导电薄膜及其光电性能研究

采用溶胶-凝胶法,以离子液体为辅助溶剂,在玻璃衬底上制备了ZnO∶Al(ZAO)薄膜。通过X-射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)和霍尔效应等测试手段,分析了不同Al掺杂浓度ZAO薄膜的微观结构、光学和电学性能。结果表明,所制备的薄膜为非(002)取向的多晶膜。随着Al离子掺杂浓度的提高,薄膜的(002)晶面取向增强,晶粒逐渐由片状向球形转变,电阻率先降低后升高。进一步研究发现,在还原气氛NH3下退火可显著降低薄膜的电阻率,Al掺杂浓度为1 mol%时,薄膜电阻率达到4.7×10-2Ω·cm,可见光透过率平均在80%以上。     

高掺锌/镁铌酸锂薄膜的光电性质

室温下采用射频磁控溅射(RFMS)技术在玻璃与硅基板上分别沉积了纯铌酸锂LN薄膜、高掺锌(6%,摩尔分数,下同)LN∶ZnO薄膜和高掺镁(5%)LN∶MgO薄膜,并在575 ℃条件下退火进一步提高薄膜的结晶度。通过原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见吸收(UV-Vis)和椭偏仪等测试研究了三种铌酸锂薄膜的形貌、结构和光学性质。XRD分析表明掺杂铌酸锂薄膜和纯铌酸锂薄膜具有相同的生长取向,AFM、XRD、UV-Vis测试结果表明,掺杂将增大铌酸锂薄膜的晶粒尺寸,光学带隙的红移现象与晶粒尺寸相关,且掺Mg的影响大于掺Zn。此外利用霍尔效应测试仪研究了LN、LN∶ZnO和LN∶MgO薄膜的电学性质,测试结果表明三种薄膜均为n型半导体,其中LN∶MgO薄膜电导率的变化趋势不同于LN∶ZnO和LN薄膜,且发现温度在18~50 ℃范围内,随着温度的升高,LN∶MgO薄膜的电导率变化微小,而LN∶ZnO和LN薄膜的电导率逐渐增大。     

Modification of amorphous hydrogenated silicon by co-sputtered aluminum

The electronic and optical properties of a-Si_1?xH_x have been modified by the incorporation of aluminum. Samples were prepared by rf sputtering in a hydrogenated atmosphere from a composite silicon-aluminum target. This paper reports on several modified material parameters including the optical band gap, electrical conductivity, and thermal activation energy. Aluminum concentrations up to 10.6% in the target have been investigated. It is observed that the optical band gap remains constant at 1.83 eV for Al concentrations up to 2.7%. For higher concentrations there is a marked decrease in optical gap. The conductivity initially decreases with small Al concentration and the activation energy increases, characteristic of compensation of the inherently n-type material. For higher Al concentrations the conductivity increases by seven orders of magnitude and the activation energy decreases to a minimum of about 0.2 eV. The increase in conductivity can be explained by both the movement of the Fermi level and the shrinking band gap. Microprobe analyses have also been performed to determine the amount of Al actually incorporated into the films. Finally, implications of these results are discussed and compared to previously reported results on gas phase doping and ion implantation.     

Effect of laser fluence on c‐axis orientation of LiNbO3 piezoelectric films on nanocrystalline diamond by pulsed laser deposition

Completely c‐axis oriented LiNbO₃ piezoelectric films have been deposited on nanocrystalline diamond (NCD)/Si substrates with SiO₂ buffer layer by pulsed laser deposition. The amorphous SiO₂ buffer layer was formed on NCD/Si substrates by sol‐gel method. The c‐axis orientation and crystallinity of LiNbO₃ films are strongly dependent on the laser fluence, and the laser fluence 3.6 J/cm² is found to be the optimal value for the growth of oriented LiNbO₃ film, which has a smooth surface with composed of a large mount of uniform grains. The average surface roughness of LiNbO₃ films is about 6.7 nm.     

甲烷浓度对碳化硅基底金刚石薄膜摩擦性能影响

利用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在碳化硅基底上制备金刚石薄膜,采用场发射扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、原子力显微镜研究了在不同甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜表面形貌及物相组成,在干摩擦条件下通过往复式摩擦磨损实验测试并计算了已制备金刚石薄膜的摩擦系数和磨损率,结合物相分析及摩擦磨损实验结果分析了甲烷浓度的改变对金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响。结果表明,由于甲烷气体含量的升高,金刚石薄膜结晶质量下降,薄膜由微米晶向纳米晶转变。摩擦磨损实验结果显示:3%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜耐磨性较好,磨损率为2.2×10^-7 mm³/mN;5%甲烷浓度条件下制备的金刚石薄膜摩擦系数最低(0.032),磨损率为5.7×10^-7 mm³/mN,制备的金刚石薄膜的耐磨损性能相比于碳化硅基底(磨损率为9.89×10^-5 mm³/mN)提升了两个数量级,显著提高了碳化硅基底的耐磨性。     

高温扩散法制备B-S共掺杂单晶金刚石

利用高纯度的硼粉和硫粉,在1 300℃的高温真空环境下,通过扩散装置制备出硼(B)、硫(S)共掺杂单晶金刚石。扫描电子显微镜、X射线能谱、拉曼光谱等测试结果表明,随着两种元素的掺入,金刚石的形貌和晶体质量发生变化。掺杂后的金刚石形貌复杂,蚀坑和沟壑内部形貌呈阶梯状,随着掺杂量的增加出现断层,并在蚀坑处检测出较高的硼原子和硫原子含量,掺杂B-S质量比为0.5的金刚石蚀坑处的硼原子和硫原子含量最高。随着杂质原子的渗入,拉曼半峰全宽值增大,金刚石的晶体质量下降。室温下进行霍尔检测结果表明,掺杂后的金刚石电阻率降低。B-S质量比为1和2的样品导电类型表现为p型;B-S质量比为0.5时,样品的霍尔系数为负值,导电类型为n型。     

Crystallization of n-doped amorphous silicon PECVD films: comparison between SPC and RTA methods

Amorphous silicon films are deposited by radio-frequency plasma-enhanced chemical-vapor deposition (RF-PECVD) with different n-doping rates. The amorphous films are subsequently crystallized using either solid phase crystallization (SPC) or rapid thermal annealing (RTA). We compare the effect of the n-doping rate on some properties of the microcrystalline silicon films obtained with both techniques. In the SPC process, the time required for the beginning of the crystallization decreases with increasing phosphorus doping. Moreover, doped films present slightly higher crystal size than intrinsic films but the doping rate does not significantly influence the grain size. For RTA, the doping rate decreases the crystallization temperature and increases significantly the crystal size. Whatever the doping rate, the average grain sizes obtained by RTA are larger than those obtained by SPC. The electrical resistance of the crystallized films also depends on the crystallization process: RTA films present a lower dark conductivity than SPC films. These results are discussed taking into account the different kinetics of both crystallization techniques and the role played by the silicon dangling bonds and their charge states on the crystal growth.     

基底加热温度对ITO薄膜的性能影响研究

氧化铟锡(ITO)薄膜被广泛用作光电器件中的透明导电电极,其透光率、导电性、表面粗糙度、与基底的功函数匹配及其电流传输特性都会对光电器件的性能造成影响。本文采用射频(RF)磁控溅射方法制备ITO薄膜,系统研究了基底加热温度对其各方面性能的影响,并确认了最佳基底温度。实验采用锡掺氧化铟陶瓷为靶材,组分摩尔比为m(In₂O₃)∶m(SnO₂)=90∶10。采用XRD、SEM对所制备的薄膜进行表征,系统分析不同基底温度对ITO薄膜结晶性能、形貌的影响;采用紫外可见分光光度计、霍尔效应测试仪、紫外光电子谱仪(UPS)、电流电压曲线系统研究了基底温度对薄膜光电特性、载流子浓度、薄膜功函数以及电流传输特性的影响。研究结果表明,基底温度200 ℃为最佳,此时ITO薄膜结晶良好、表面平整、可见光波段平均透过率超过80%,导电性能和电流传输特性均较佳,且薄膜组分与靶材组分一致。