同质与异质外延掺杂CVD金刚石薄膜的结构与性能

采用化学气相沉积(CVD)技术,以高温高压(HTHP)合成的(100)金刚石和p型(100)Si为衬底制备了硫掺杂和硼-硫共掺杂金刚石薄膜,利用原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)及隧道电流谱(CITS)等手段分析同质和异质外延CVD掺杂金刚石薄膜的结构和性能.结果表明:异Si衬底上CVD金刚石的形核密度低,薄膜表面比较粗糙,粗糙度达到18.5nm;同质HTHP金刚石衬底上CVD金刚石薄膜晶粒尺寸约为10—50nm,表面平整,表面粗糙度为1.8nm.拉曼测试和电阻测量的结果显示,在HTHP金刚 关键词： 金刚石 掺杂 外延     

氮对金刚石缺陷发光的影响

利用低温显微荧光光谱研究了IIa型、Ib型、Ia型金刚石的缺陷发光性质. 研究发现, 随着氮含量增加, 间隙原子及空位逐渐被氮原子所束缚, 从而使得GR1中心、533.5 nm及580 nm中心等本征缺陷发光减弱, 而氮-空位复合缺陷(NV中心)及523.7 nm中心等氮相关缺陷发光增强. 高温退火后, 间隙原子与空位可以自由移动, IIa型金刚石中出现了NV⁰中心, Ib型金刚石中只剩下了NV中心, Ia型金刚石中氮原子之间发生团聚, 出现了H3中心及N3中心. 另外, 氮作为施主原子, 有利于负电荷缺陷的形成, 如3H 中心、NV^- 中心.     

氮掺杂金刚石{100}晶面的缺陷发光特性

氮是金刚石中最常见的杂质之一, 其对金刚石的缺陷发光具有重要的影响. 氮可以与金刚石中的本征缺陷形成复合缺陷. 本文首先利用阴极射线发光照片(CL)对一个高温高压合成的氮掺杂金刚石进行表征, 发现{100}晶面为蓝色, 然后利用透射电子显微镜(TEM)对该晶面进行电子辐照及后续退火处理, 以引入本征点缺陷进而形成含氮的复合缺陷, 并利用低温光致发光光谱(PL光谱)表征其缺陷发光特性, 发现该晶面主要以氮-空位复合缺陷(NV中心)发光为主, 并伴随着较弱的503 nm发光. 关键词： 金刚石 缺陷 发光     

单晶金刚石侧向扩大生长中基团分布的调控

采用微波等离子体化学气相沉积法,在半开放式样品台上通过调整种晶在样品台中的凸出高度(Δh)实现了对微波等离子体中基团分布的调控,并进行了单晶金刚石的侧向外延扩大生长研究.将发射光谱与金刚石样品的傅里叶变换红外光谱、Raman光谱、白光干涉测试结果及光学形貌表征结果结合起来,分析了种晶在样品台中的凸出高度对侧向外延生长单晶金刚石的影响.结果 表明:随着凸出高度增大,等离子体中的C2(516.08 nm)基团在中心区域(-2～2 mm)的相对浓度增加,当凸出高度为0.6 mm时,中心区域碳源基团的浓度相对较高,导致该区域的纵向生长速率略高于周围区域的纵向生长速率,有利于生长面自主形成偏离(100)晶面一定角度的倾斜结构,进而侧向扩大生长出无多晶金刚石外圈且红外光学透过性能优异的单晶金刚石.顶部生长面自主形成一定角度的倾斜结构,是实现单晶金刚石侧向外延扩大生长的关键.继续增大凸出高度至0.8 mm,就会导致中心区域C2(516.08 nm)基团的相对浓度过高,形成金字塔丘状体,反而不利于高质量单晶金刚石的外延生长.     

Ce~(3+)注入掺杂金刚石薄膜蓝区电致发光研究

采用微波等离子体化学气相沉积设备在高掺杂硅衬底上沉积了一层金刚石薄膜,然后采用离子注入法在金刚石薄膜中注入不同剂量的Ce3+,从而制备出了Ce3+掺杂的金刚石薄膜.研究了其电致发光特性,得到了发光主峰位于蓝区(476 nm和435 nm处)的光发射.实验中发现随着Ce3+注入剂量的增加,电致发光强度也随之增加.     

Ti原子与氮掺杂金刚石(001) 界面结合强度的第一性原理研究

摘 要：金属钛原子在金刚石表面的结合强度直接影响金刚石真空介电窗口的使用性能和寿命. 本文通过基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Ti原子与不同氮掺杂位置的金刚石（001）界面的结合能、电荷分布和稳态几何结构. 结果表明：Ti原子与N原子取代掺杂在第二层C原子处金刚石表面的结合能比未掺杂和掺杂在第三层的结合能都高,达到-7.293 eV,使得金刚石表面形成的界面结构更加稳定,结合强度更好;通过电荷分布分析,N原子掺杂在第二层金刚石表面的Ti原子上的电荷转移最明显,对金刚石表面碳原子吸附最强,也具有更好的结合强度. 与未掺杂金刚石表面形成的Ti-C键键长相比,N掺杂在第二层和第三层C原子处金刚石表面形成的Ti-C键键长比前者分别长0.051 Å和0.042 Å,略有增加.     

调控硼硫掺杂比实现金刚石n型转变的研究

金刚石半导体由于其特殊的机械性能使其在极端环境下有较广的应用前景. 虽然通过硼(B)元素掺杂较易得到p型金刚石半导体,但具有优异电学性能的n型半导体却鲜见报道. 硼、硫（S）原子因半径及外层电子互补,其协同掺杂易合成p型或n型半导体,但其物理机理尚不清晰.在课题组已有实验报道基础上,借助第一性原理探究了B-S不同比例单掺杂及共掺杂金刚石的形成能、晶体内的存在形式及电子结构,从原子尺度揭示了金刚石由p型向n型半导体转变的阈值掺杂比例. 通过实验与理论的对比发现B在晶格内趋向团聚,而过量的S掺杂则发生析出.     

金刚石薄膜的红外椭圆偏振光谱研究

采用红外椭圆偏振光谱对微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）和热丝化学气相沉积法（H-FCVD）制备的金刚石薄膜在红外波长范围（2.5—12.5μm）的光学参数进行了测量.建立了不同的光学模型，且在模型中采用Bruggeman有效介质近似方法综合考虑了薄膜表面和界面的椭偏效应.结果表明，MPCVD金刚石膜的椭偏数据在模型引入了厚度为77.5nm的硅表面氧化层、HFCVD金刚石膜引入879nm粗糙层之后能得到很好的拟合.最后对两种模型下金刚石薄膜的折射率和消光系数进行了计算，表明MPCVD金刚石薄膜的红外 关键词： 金刚石薄膜 红外椭圆偏振光谱 光学参数 有效介质近似     

掺杂CVD金刚石薄膜的应力分析

在不同实验条件下，用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在Si基体上制备了S掺杂和B-S共掺杂CVD金刚石薄膜，利用X射线衍射仪和拉曼光谱仪研究掺杂对CVD金刚石薄膜的应力影响.研究结果发现，随着S掺杂浓度的增加，薄膜中sp²杂化碳含量和缺陷增多，CVD金刚石薄膜压应力增加；小尺寸的B原子与大尺寸的S原子共掺杂时，微量B的加入改变了CVD金刚石薄膜的应力状态，共掺杂形成B-S复合体进入金刚石晶体后降低金刚石晶体的晶格畸变程度，减少S原子在晶界上偏聚数量和晶体中非金刚石结构相含量，降低由于杂质、缺陷及sp²杂化碳含量产生的晶格畸变和薄膜压应力，提高晶格完整性. 关键词： 金刚石薄膜 掺杂 应力     

B,N协同掺杂金刚石电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于金刚石的稳定结构, 在实验研究的基础上, 本文采用基于周期性密度泛函理论计算了B/N单掺杂、共掺杂金刚石的晶体结构, 并就掺杂方式和掺杂后形成能进行了对比研究, 得到了B/N双掺杂的最稳定结构. 在此基础上, 进一步计算了N单掺杂及B/N共掺杂最稳定结构的吸收光谱、电子结构和态密度. 通过与实验结果对比可以看出, 较N单掺杂, B/N共掺杂的吸收光谱发生明显红移, 与实验符合较好. 计算结果表明: N原子单掺杂优先于B原子; 由于原子间的协同作用, B/N近邻共掺杂体系的形成能最低, 为掺杂的最可能结构.     

Al3+对Ge/Al-SiO2薄膜光致发光的影响

采用磁控溅射及后退火技术制备了不同组份和不同退火温度的Ge、Al共掺SiO₂薄膜。通过对样品的X射线光电子能谱(XPS)测试,确定了薄膜的成分和结构特征;同时还测试了样品的光致发光谱(PL谱),得到了峰值位于420 nm附近的紫光发射峰和峰值位于470 nm的蓝光发射峰。实验结果表明, Al的掺杂不仅可以显著地提高GeNOV中心和SiNOV中心的光发射效率,还可以促进GeNOV缺陷和SiNOV缺陷中心的形成,进而有利于薄膜的光致发光。     

Transport studies in boron-ion implanted type II<Emphasis Type="Italic">a</Emphasis> diamond

We have investigated low-temperature electrical transport mechanisms in the surface layer of a type IIa diamond which has been heavily implanted with boron-ions at low temperatures and then annealed at high temperatures. The boron atoms occupy substitutional sites giving rise to a heavily doped wide-bandgap semiconductor. The dc-conductivity results suggest that for the maximum boron doping that has been achieved, the diamond sample is close to the insulator-metal transition. A model to account for the observed increase in activated boron centres with ion dose is presented. On the insulating side of the transition, the data are interpreted in terms of variable-range hopping laws.     

掺稀土Ce的金刚石薄膜光致发光研究

制备了不同注入剂量的Ce^3 掺杂金刚石薄膜，研究了其光致发光特性，得到了发光主峰位于蓝紫区（421nm和462nm处）的光发射。实验中发现随着Ce^3 注入剂量的增加，器件光致发光的强度也逐渐增加，这些实验现象作了解释。     

Investigations on the photographic elementary process in AgCl single crystal foils

The behaviour of the latent image produced by actinic radiation (λ = 365 nm and λ = 407 nm) in AgCl monocrystal foils highly doped with Cd and grown and annealed under various conditions was studied by extinction measurements in the near infrared. The photographic elementary process in these highly doped crystals cannot be described satisfactorily by the classical Gurney Mott model. Therefore another model was used based on the creation of anion vacancies and molecular chlorine complexes. The radiation-induced electrons occupy these anion vacancies, and quasi- metallic centres are formed. By this model the behaviour of the light-induced latent image can also be described as the nuclear particle track formation in the Cd doped AgCl crystals.     

Fabrication of single optical centres in diamond—a review

Colour centres in diamond are rapidly becoming one of the leading platforms for solid-state quantum information processing applications. This is due in large part to the remarkable properties of the nitrogen-vacancy colour centre. From initial demonstrations of room-temperature single photon generation and spin single spin readout and quantum control, diamond nanocrystals are also finding application in magnetometry and biosensing. This review discusses the state of the art in the creation of isolated and small ensembles of optically active diamond defect centres, including nitrogen and nickel-related centres.     

Novel microwave plasma‐assisted CVD reactor for diamond delta doping

We report on building a novel chemical vapor deposition (CVD) reactor for diamond delta‐doping. The main features of our reactor are: a) the use of rapid gas switching system, (b) the reactor design providing the laminar gas flow. These features provide the creation of ultra‐sharp interfaces between doped and undoped material and minimize the prolonged ”tails” formation in the doping profile. It is proved by optical emission spectroscopy that gas switching time is not more than 10 seconds. Using the novel reactor we have grown the nanometer‐thin layers of boron doped diamond. The FWHM of boron concentration profile is about 2 nm which is proved by SIMS. It is shown that the both single delta‐layer and multiple delta‐layers could be grown using the novel CVD reactor. In principle, the reactor could be used for diamond delta doping with other dopants, like nitrogen, phosphorus etc. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

多晶金刚石烧结中晶粒表面石墨化的实验研究

 利用X射线微区衍射，X射线光电子谱（XPS）及激光拉曼光谱等分析，对高温高压下以金刚石微粉为原料的多晶金刚石烧结过程中，金刚石晶粒表面石墨化现象进行了考察。结果表明，虽经历了烧结过程，但在没有掺杂剂作用的区域内，没有发现金刚石晶粒表面的石墨化。晶粒表面石墨化的高峰期，处于掺杂剂刚开始液化，但尚未饱和充填金刚石晶粒间空隙的烧结初期阶段，随着液相掺杂剂的饱和充填作用，金刚石晶粒表面的石墨消失，并最终完成多晶金刚石的烧结。     

掺杂金刚石薄膜的缺陷研究

利用多普勒增宽谱和电子顺磁共振研究了掺硼和掺硫金刚石薄膜的缺陷状态.多普勒增宽谱的结果表明，不同杂质元素掺杂的金刚石薄膜，其中使正电子湮没的缺陷种类是相同的；正电子与不同杂质元素硼、硫之间的相互作用不明显；少量硼可使金刚石膜中的空位浓度减少.EPR结果表明，各掺杂样品的顺磁信号主要来自于金刚石的碳悬键. 关键词： 金刚石 掺杂 多普勒增宽谱 电子顺磁共振