基于光谱测试的纯净金刚石品质与缺陷研究

本文利用低温拉曼与光致发光光谱对纯净金刚石晶片的结晶质量、晶体应力分布进行表征分析,并结合电子辐照和快速退火对晶片的杂质缺陷结构开展研究。通过拉曼光谱对金刚石特征峰的表征分析发现,由于金刚石生长机制以及晶片的切割、抛光等因素影响,晶片的边缘与表面应力分布较高。光致发光光谱中的零声子线具有明显的温度依赖性,根据Jahn-Teller效应与电子-声子耦合理论阐明了测试温度变化引起中性单空位缺陷零声子线分裂与红移的机理。对晶片做电子辐照与退火调控处理后,晶片中氮-空位(NV)缺陷显著增多,表明在纯净晶片中氮主要以替代位氮杂质的形式存在。     

金刚石自支撑膜拉曼光谱1420cm-1特征峰研究

采用带有半封闭式气体循环系统的100千瓦级直流电弧等离子体喷射CVD设备制备三组不同质量的金刚石膜,通过532 nm激光激发金刚石膜的拉曼光谱时,除1332 cm-1金刚石一阶拉曼峰外还出现了1420 cm-1宽峰,本文针对这一峰位的由来及分布进行研究。结果表明,增加或降低拉曼激发波长该峰为都不复存在,不符合材料的拉曼特征频移与激发波长无关这一原则,证明其并非本征拉曼峰;采用488 nm激发和514 nm激发时拉曼光谱分别出现了与1420 cm-1峰型一致的3125 cm-1和2060 cm-1峰,将拉曼频移转换为波长后发现,三个峰位都对应于波长575 nm(2.156e V);575 nm为金刚石膜荧光光谱中常见峰位,对应于氮杂质相关的[N-V]0中心,这表明含氮杂质金刚石膜采用532nm激发时产生的1420 cm-1峰是[N-V]0相关的氮杂质引起的荧光峰;采用532 nm对金刚石膜形核面和生长面的拉曼面扫描结果表明,[N-V]0相关的氮杂质存在于金刚石膜表面晶粒与晶界各处,并存在一定程度的偏聚。     

金刚石的晶体质量评定探究

分别选用辽宁瓦房店原生矿产出金刚石、湖南砂矿产出金刚石、CVD合成金刚石、高温高压合成金刚石各1颗,采用红外光谱、高分辨率X射线衍射、拉曼光谱和正交偏光显微观察的分析方法,对其晶体质量进行了研究.通过比较金刚石1332.5 cm-拉曼本征峰的实际位移与理论位移,四颗金刚石均存在一定的内应力,高温高压合成金刚石的内应力小于其它三颗金刚石;金刚石拉曼本征峰的半高宽比对表明,四颗金刚石均存在较多晶格缺陷,其中湖南砂矿产出金刚石缺陷明显;采用双轴晶ω扫描方式测试了四颗金刚石{004}面的摇摆曲线,并估算其晶面族的晶面间距,结果显示高温高压合成金刚石{004}面的晶面间距大于其它三颗金刚石,可能是因孤氮所致;由金刚石摇摆曲线半高宽计算出内部平均位错密度值表明,高温高压合成金刚石最低,而瓦房店产出的金刚石内部平均位错密度最大,且含有亚晶界,这一结果与其异常双折射现象一致.     

细胞色素c在硼掺杂金刚石电极上的电化学特性研究

采用直流电弧等离子体喷射设备制备掺硼金刚石(BDD)电极.并用扫描电镜及拉曼光谱分析了薄膜的表面形貌及薄膜品质,测试结果表明,掺硼金刚石薄膜表面结构排列紧密.使用BDD电极研究细胞色素c的直接电化学特性,结果表明在磷酸盐缓冲液中细胞色素c(Cytc)在BDD电极上呈现一对峰形较好的氧化还原峰,峰电流与扫速的平方根呈线性关系,且与细胞色素c浓度在5～50μmol·L-范围内近似呈线性关系.     

空位浓度对纤锌矿CdS电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,采用第一性原理研究了含Cd空位缺陷CdS和含S空位缺陷纤锌矿CdS的几何结构、能带结构、电子态密度及光学性质。通过计算分析可知,含Cd空位缺陷的CdS体系均为p型半导体,含S空位缺陷的CdS体系跃迁方式均由直接跃迁变为间接跃迁。Cd、S空位缺陷的CdS体系的态密度总能量降低。空位CdS体系相较于本征CdS体系的静介电常数均有提高,并随着空位浓度的增大而增大,Cd空位缺陷体系更为明显,极化能力得到显著提升。空位Cd的CdS体系相较于本征CdS体系在红外波段存在明显的吸收,空位S的CdS体系相较于本征CdS体系在可见光波段存在明显的吸收。     

高温高压金刚石衬底上的同质外延生长研究

在自主研发的小功率微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置上利用高温高压(HPHT)单晶金刚石片为衬底进行了金刚石同质外延生长的研究.研究了甲烷浓度、工作气压对金刚石生长速率的影响.测量了金刚石外延 生长过程中等离子体的发射光谱,利用扫描电子显微镜(SEM)和数码相机对生长前后金刚石的形貌进行了表征,利用激光拉曼光谱对金刚石的质量进行了分析.结果表明:一定程度内,适当升高工作气压和甲烷浓度能够有效提高金刚石的生长速率;在外延生长过程会产生过多的丘状体,导致许多金刚石颗粒的产生,影响其生长时间和质量,通过生长、刻蚀相结合的方法能够有效延长生长时间,改善生长形貌;外延生长出的金刚石的激光拉曼图谱中金刚石1332 cm-1特征峰明显、尖锐,荧光背底低,非金刚石相特征峰较低.     

空位缺陷对锯齿型硅纳米带电子结构和磁性的影响

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似下的第一性原理投影缀加波赝势方法,系统的研究了单空位(双空位)缺陷对锯齿型硅纳米带电子结构和磁性的影响.结果表明:不同位置的单原子空位(双原子空位)锯齿型硅纳米带,结构弛豫后,都能得到一个九边环(八边环),同类缺陷更容易在锯齿型硅纳米带的边缘区域形成;与完整的锯齿型硅纳米带相比,中心位置含空位缺陷(单原子或双原子空位)的锯齿型硅纳米带由原有的反铁磁半导体转变为反铁磁金属;非中心位置含空位缺陷(单原子或双原子空位)的锯齿型硅纳米带则具有铁磁态金属性, 在远离缺陷的纳米带边缘硅原子上局域的分布着差分电荷密度,这使得锯齿型硅纳米带在自旋电子学领域拥有可观的应用前景.     

立方晶系Ca2Si声子色散和热力学性质的第一性原理计算

采用模守恒贋势和超软贋势两种方法分别计算立方晶系Ca2Si的声子色散关系、声子态密度和热力学特性.运用线性响应方法和有限位移方法确定立方晶系Ca2Si的声子色散关系和声子态密度,得到立方晶系Ca2Si的声子振动模式是各向异性,且立方晶系的Ca2Si是不稳定结构.在声子色散关系确定的基础上分别计算定容热容、焓、熵和自由能随温度的变化关系,得到Cv-T曲线在低温条件下符合德拜第三定律;当T=1000K时,立方晶系Ca2Si的热熔Cr=21J·mol-1 ·K-1;在高温条件下,随着温度的增加Cv→3R.通过分析声子色散、振动关系和热力学特性得到立方晶系Ca2Si的振动系统由声子和电子组成.     

第一原理研究氧空位对BaTiO3晶体的电子结构和光学性质的影响

根据密度泛函理论,采用模拟计算软件CASTEP计算了含有氧空位钛酸钡晶体的电子结构和光学性质.结果表明,氧空位的存在没有在禁带中引入缺陷能级,但氧空位的存在对晶体的光学性质产生显著的影响.并得到氧空位的存在将引起钛酸钡晶体出现440～450 nm吸收峰的结论.     

高温高压氮掺杂金刚石的光致发光研究

本文利用激光共聚焦显微拉曼光谱仪表征了高温高压法合成的氮掺杂金刚石,并分析了该晶体的光致发光特性.结果表明,金刚石晶体内部含氮量比晶体表面高,且由于氮原子尺寸较大,使得晶体内部应力较高,晶化程度弱化;另外,氮掺杂金刚石的光致发光主要以氮-空位(NV)复合缺陷为主;氮含量高的区域,NV缺陷发光增强,且NV-/NV0强度比也增强.这是因为氮作为施主原子,有利于负电荷缺陷即NV-中心的形成;同时氮含量升高,也会使得费米能级向NV-中心的基态靠近,这也造成了NV-/NV0强度比随氮含量增加而增强.     

Electron paramagnetic resonance and raman spectroscopy characterization of diamond films fabricated by HF CVD method

Thin polycrystalline diamond films were synthesized on silicon substrate by Hot Filament Chemical Vapor Deposition (HF CVD) technique from a mixture of hydrogen and different content of methyl alcohol. A comparative study on the Electron Paramagnetic Resonance (EPR), Raman spectroscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) were performed. It was shown that EPR signal, Raman spectra and morphology, studied by SEM, strongly depend on the ratio of CH₃OH/H₂ in the HF CVD reactor. The peak‐to‐peak line‐width in EPR signal varies from 0.09 to 0.8 mT depending on diamond quality. The Raman spectra of our diamond film showed, except well defined diamond Raman lines positioned at 1332 cm^‐1 with different Full Width at Half Maximum (FWHM), a broad band having maximum at around 1530 cm^‐1 which is characteristic for amorphous carbon phase. The obtained results show that EPR, SEM and Raman spectroscopy yield complementary results about the defects present in CVD diamond films. (© 2010 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

预处理对超纳米金刚石薄膜表面质量的影响

本文研究了金刚石粉手工研磨及超声波震荡两种预处理方法对硅片衬底及超纳米金刚石膜表面粗糙度和形貌的影响,利用表面轮廓仪、X射线衍射分析(XRD)、激光拉曼、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对衬底及超纳米金刚石膜进行表征.结果表明,由于衬底轮廓的遗传特性,手工研磨的硅片上沉积的超纳米金刚石膜表面粗糙度远高于超声震荡的硅片上沉积的超纳米金刚石膜.     

A low-frequency Raman study of glassy,supercooled and molten silica and the preservation of the Boson peak in the equilibrium liquid state

A temperature dependent Raman spectroscopic study of the Boson peak in silica is being presented. For the first time experimental data are obtained not only above the glass transition temperature but also above the melting point. The intriguing temperature dependencies exhibited by the Boson peak frequency and intensity are examined in detail. A comparison of the above features between the frequency-reduced and the true excess density of vibrational states revealed that the spectrum of the latter does not exhibit the anomalous trend of the Boson peak as regards the temperature dependence of its frequency, and further the number of the excess modes decreases with increasing temperature. The observability of the Boson peak in the normal liquid state as a well-resolved peak is also discussed in the context of recent theoretical and simulation works that relate the Boson peak with the details of the potential energy landscape of the supercooled liquid.     

Paramagnetic defects in diamond films synthesized by the hot filament chemical vapour deposition

Defects in nitrogen‐doped diamond films, produced by hot filament chemical vapour deposition have been studied by Electron Spin Resonance (ESR), Raman spectroscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM). The peak‐to‐peak ESR line width (ΔH _pp) varies in the range 0.36‐0.52 mT and depends on the nitrogen concentration in the process gas. In the case of nitrogen‐doped diamond films ESR spectrum shows a hyperfine structure typical of N_S⁰ paramagnetic centre. The shape of the central ESR line shows that it is a superposition of two components: a narrower Lorentzian and a broader Gaussian one, characterized by different saturation behaviour. With increasing nitrogen concentration in process gas the ratio of integral intensities A _G/A _L (Gausian to Lorentzian) of ESR spectrum also increases. The Raman spectra show that with increasing doping level the diamond Raman line at 1332.5 cm^‐1 broadens, the broad band at about 1530 cm^‐1 becomes more pronounced what indicate on degradation of diamond crystallinity and it is in agreement with SEM observation. (© 2006 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

高温高压与CVD金刚石单晶衬底质量对比研究

本文通过高分辨X射线衍射(HRXRD)、激光拉曼光谱(Raman)、晶格畸变检测等测试分析方法对多组高温高压(HTHP) Ⅰb、HTHP Ⅱa和化学气相沉积(CVD)型(100)面金刚石单晶样品进行对比研究。HRXRD和Raman的检测结果均表明HTHP Ⅱa型金刚石单晶的结晶质量接近天然金刚石,其XRD摇摆曲线半峰全宽和Raman半峰全宽分别为0.015°~0.018° 和1.45~1.85 cm^-1。晶格畸变检测仪的检测结果表明,HTHP Ⅱa型金刚石单晶的应力分布主要有两种:一种几乎无明显应力分布,另一种沿<110>方向呈对称的放射状分布,其他区域无晶格畸变。HTHP Ⅰb和CVD型金刚石单晶应力分布均相对分散,晶格畸变复杂,与其HRXRD和Raman的检测结果相符。进一步利用等离子体刻蚀法对三种类型金刚石单晶(100)面位错缺陷进行对比分析,结果表明,HTHP Ⅱa型金刚石位错密度为三者中最低,仅为1×10³ cm^-2。本研究为制备高质量大尺寸CVD金刚石单晶的衬底选择提供了实验依据。     

以磷化铁为添加剂沿(111)面生长磷掺杂金刚石大单晶

掺杂是调控金刚石性能的一种重要手段。本文采用温度梯度法,在5.6 GPa、1 312 ℃的条件下,选用Fe₃P作为磷源进行磷掺杂金刚石大单晶的合成。金刚石样品的显微光学照片表明,随着Fe₃P添加比例的增加,金刚石晶体的颜色逐渐变深,包裹体数量逐渐增加,晶形由板状转变为塔状直至骸晶。金刚石晶形的变化表明Fe₃P的添加使生长金刚石的V形区向右偏移,这是Fe₃P改变触媒特性的缘故。红外光谱分析表明,Fe₃P的添加使金刚石晶体中氮含量上升,这说明磷的进入诱使氮原子更容易进入金刚石晶格中。激光拉曼光谱测试表明,随着Fe₃P添加比例的增加,所合成的掺磷金刚石的拉曼峰位变化不大,其半峰全宽(FWHM)值变大,这说明磷的进入使得金刚石晶格畸变增加。XPS测试结果显示,随着Fe₃P添加比例的增加,金刚石晶体中磷相对碳的原子百分含量也会增加,这意味着添加Fe₃P所合成的金刚石晶体中有磷存在。     

ZnGeP2晶体中的晶格振动模拟与光谱分析

ZnGeP₂晶体在9~10 μm的光学吸收限制了其在中远红外波段的应用,该波段吸收与其晶格振动有关。本文通过理论计算与实验相结合的方法,解释了晶体红外截止边和9 μm附近吸收峰的物理机制。通过布里奇曼法生长出ZnGeP₂单晶,并测试生长得到的ZnGeP₂晶体的变温拉曼光谱和变压拉曼光谱,基于第一性原理方法计算了ZnGeP₂布里渊区中心的振动频率,并计算了不同压力下晶体的晶格常数和拉曼位移峰的位置。实验结果与理论计算结果表明:温度升高使得其振动模发生红移,且振动模强度减弱,半峰全宽变大,而压力增大则会引起ZnGeP₂晶体振动模发生蓝移,振动模强度减弱,半峰全宽变大。     

Raman spectroscopic study of hydrogen-containing vitreous silica

It is shown by Raman spectroscopy that high-temperature hydrogen-impregnated vitreous silica contains, in addition to physically dissolved hydrogen, ≡SiOH and ≡SiH groups. A Raman-scattering peak with a wave-number shift of 3685 cm^?1 is assigned to the OH stretching vibration, a peak with a wave-number shift of 2254 cm^?1 to a SiH stretching vibration and a peak with a wave-number shift of 4135 cm^?1 to the presence of physically dissolved hydrogen. When hydrogen was replaced by deuterium, appropriate shifts of the peaks mentioned were found.     

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。     

纳米金刚石的结构、光学性能和热稳定性研究

纳米金刚石兼具纳米材料和金刚石的双重特性,呈现出与微米金刚石、块体金刚石截然不同的特点。本文以不同尺寸金刚石样品为研究对象,采用扫描电镜、X射线衍射、光谱学、热重分析技术对其结构、光学性能和热稳定性进行研究。结果显示样品尺寸分别为300 μm、30 μm和100 nm,大尺寸样品结晶质量较好,富含孤氮杂质,为Ⅰb型金刚石。纳米金刚石样品结晶较差,含有少量石墨残留,并含有H₂O、N—H和C—H键,说明其表面存在诸多有机活性基团。大尺寸金刚石样品存在中性和带负电荷的氮空位缺陷,产生较强荧光,而纳米金刚石由于存在诸多的有机基团和表面缺陷,形成非辐射中心,导致荧光猝灭。大尺寸样品在300~525 nm具有较强吸收,而纳米金刚石样品在紫外-可见-近红外整个区域均呈现出较强吸收,透过率显著较低。随着颗粒尺寸的减小,金刚石的起始氧化温度逐渐下降,氧化速率降低,因此大颗粒尺寸金刚石样品具有更好的热稳定性。