硼/氮原子共注入金刚石的原子级研究

利用Tersoff势和分子动力学方法研究了室温下500 eV的能量粒子硼(4个)和氮(8个)共注入金刚石晶体中晶体结构的变化特征和缺陷分布特征.结果表明：粒子注入金刚石后产生的空位比间隙原子更靠近晶体的近表层分布；间隙原子主要以四面体间隙(T形)和哑铃状分裂间隙的形式存在于晶体中，T形间隙结构更容易存在，并且大部分间隙原子富集在空位的周围；注入金刚石中的硼原子和氮原子有78%左右处于替代位置,硼、氮原子之间的键长比完整金刚石结构的键长短13%，硼氮原子成键有利于减少金刚石晶格的畸变程度.     

能量粒子轰击金刚石的计算机模拟

利用Tersoff势和分子动力学方法研究了初始动能为500 eV的硼粒子注入金刚石的微观行为.结果表明：硼注入后产生温度为5000 K的热峰，其寿命为0.18 ps；同时产生半径为0.45 nm局部非晶化区域，三重配位原子数占该区域原子数的7%.薄膜表层原子向内弛豫，近表层原子向外弛豫，表面层与近表层原子的间距减少了15%，表面层表现为压应力.硼原子以B<110>分裂间隙的形式存在于金刚石结构中. 关键词： 分子动力学模拟 金刚石 硼 注入     

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     

辐照损伤对钨晶格热导率影响的分子动力学研究

钨是最具应用前景的面向等离子体候选材料,但核聚变堆内强烈的辐照环境会使钨的近表面区域产生辐照损伤,进而影响其关键的导热性能.本文构建了包含辐照损伤相关缺陷的晶体钨模型,并采用非平衡分子动力学的方法定量研究了这些缺陷对钨导热性能的影响.结果表明,随中子辐射能量的增加,晶体内部留下的Frenkel缺陷数目增多进而导致钨的晶格热导率降低;间隙原子比空位更易于向晶界偏聚,且钨中的间隙钨原子与空位相比,使晶格热导率下降程度更大.纳米级氦气泡导致晶格热导率的显著降低,气孔率为2.1%时晶格热导率降至完美晶体的约25%.这些不同的缺陷造成不同程度的周围晶格扭曲,增加了声子散射几率,是导致晶格热导率下降的根源.     

空位在金刚石近(001)表面扩散的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了空位在金刚石近(001)表面的扩散过程,研究了温度对空位扩散的影响.结果表明,当温度为1000K左右时,位于近表面第二层上的空位开始向表面运动;当温度在1400—2000K时,空位完全扩散到表面.这与实验结果和其他计算结果符合得很好.同时发现,温度为1400—1800K时,空位的扩散经历了两次迁移运动,其分别对应了均方位移图中的两个极大值.在不施加任何约束的条件下得到了空位的动态扩散路径,空位在金刚石近(001)表面的扩散势垒约为042eV.并探讨了一定温度下空位数目增多及其不同排列 关键词： 金刚石 空位 扩散 分子动力学     

离子束辅助沉积对类金刚石膜结构影响的计算机模拟

采用分子动力学(MD)模拟研究了离子束辅助沉积(1BAD)生长类金刚石(DLC)膜的物理过程.分 别选C₂分子和Ar离子作为沉积源和辅助沉积粒子.改变Ar的入射能量和到达比(A r／C)，研 究了它对DLC膜结构的影响.重点讨论了Ar辅助沉积引起表面原子的瞬间活性变化对薄膜结构 产生的影响.分析表明，由于Ar离子的轰击引起的能量和动量的传递，大大地增强了C原子在 表面的反冲动能及迁移概率，增加了合成薄膜的SP³键含量.研究结果和实验 观察一致，并从合成机理上给出了一些定量解释. 关键词： 类金刚石膜 离子束辅助沉积 分子动力学模拟     

Cd1-x ZnxTe晶体退火条件的选择及Zn压对退火晶体质量的影响

采用传统Bridgman方法和加入accelerated crucible rotation technique的Bridgman(缩写为ACRT-B)方法生长的Cd1-xZnxTe(x=0.04)晶体中存在有点缺陷、位错、杂质和Te沉淀等缺陷.为了减少甚至消除这些缺陷,必须将生长后的CdZnTe晶片在Cd气氛下退火.从Cd-Te和Cd0.96Zn0.04Te的P-T相图出发,详细讨论了CdZnTe晶体的气-固平衡条件,并以此为依据选择退火条件,对ACRT-B法生长的Cd0.96Zn0.04Te晶体进行了退火实验研究.实验结果表明,气氛中的Zn压在一定程度内高于平衡压力有利于晶体中多余Te向晶体表面扩散,即有利于消除Te沉淀.但过高的Zn压会使晶体表面成分偏离原始的化学配比.此时,晶体表面与气氛强烈的原子交换,将造成严重的表面损伤,形成一层结晶质量很差的表面层.同时,Zn原子向晶内的扩散,抑制了退火过程中晶内杂质向晶体表面的扩散.因此,在较低的Zn压下退火(但仍处于气-固平衡范围内),能排除晶内杂质.通过仔细研究不同条件下退火后晶片的结晶质量和断面成分分布,可以认为CdZnTe晶体的退火可分为去沉淀相退火、去杂质退火和均匀化退火几种,最佳的退火工艺应是多步骤、多阶段的组合退火工艺.     

一维单原子链在碳纳米管研究中的应用

以一维单原子链为模型,讨论了五边形和原子空位两种缺陷对碳管振动性质的影响,定性地解释了这两种缺陷产生局域模式的原因.计算结果表明,由于五边形周围碳碳键的缩短使得力常数变大;与此类似,当原子空位存在时,空位处有效质量变小,且碳碳键长变短,这些都相当于在晶格中掺入了"轻杂质",会使得在完整晶格的振动模式的外侧出现一个新的局域振动模式.     

基于原子运动模型的类金刚石薄膜生长机理研究

利用分子动力学模拟方法，从原子尺度上研究了类金刚石(DLC)薄膜生长过程. 按照运动特点把入射原子在表面的行为分为表面冷冻、迁移、注入和反弹等四种，并由此提出原子运动模型. 入射原子的表面行为对DLC薄膜的微观结构以及生长方式有重要影响. 其中原子水平迁移是薄膜热弛豫的主要途径，入射原子的注入和迁移行为相互竞争，决定了薄膜生长的模式和最终结构. 利用统计分析手段给出了入射能量对原子表面行为进而对薄膜结构的影响，加深了对DLC薄膜生长机理的认识.     

低能Pt原子与Pt(111)表面相互作用的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法详细研究了低能Pt原子与Pt(111)表面的相互作用所导致的表面吸附原子、溅射原子、表面空位的产生及分布规律,给出了表面吸附原子产额、溅射原子产额和表面空位产额随入射Pt原子能量的变化关系.模拟结果显示:溅射产额、表面吸附原子产额和表面空位产额随入射原子的能量的增加而增加,溅射原子、表面吸附原子的分布花样呈3度旋转对称性质;当入射粒子能量高于溅射阈值时,表面吸附原子主要是基体最表面原子的贡献,入射粒子直接成为表面吸附原子的概率很小.其主要原因是:当入射粒子能量高于溅射能量阈值时,入射 关键词： 分子动力学 低能粒子 表面原子产额 空位缺陷 溅射     

退火温度对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和p型导电性能的影响

采用热丝化学气相沉积法制备硼掺杂纳米金刚石 (BDND) 薄膜, 并对薄膜进行真空退火处理, 系统研究退火温度对BDND薄膜微结构和电学性能的影响. Hall效应测试结果表明掺B浓度为5000 ppm (NHB) 的样品的电阻率较掺B浓度为500 ppm (NLB) 的样品的低, 载流子浓度高, Hall迁移率下降. 1000 ℃退火后, NLB和NHB 样品的迁移率分别为53.3和39.3 cm²·V^-1·s^-1, 薄膜的迁移率较未退火样品提高, 电阻率降低. 高分辨透射电镜、紫外和可见光拉曼光谱测试结果表明, NLB样品的金刚石相含量较NHB样品高, 高的硼掺杂浓度使薄膜中的金刚石晶粒产生较大的晶格畸变. 经1000 ℃退火后, NLB和NHB薄膜中纳米金刚石相含量较未退火时增大, 说明薄膜中部分非晶碳转变为金刚石相, 为晶界上B扩散到纳米金刚石晶粒中提供了机会, 使得纳米金刚石晶粒中B浓度提高, 增强纳米金刚石晶粒的导电能力, 提高薄膜电学性能. 1000 ℃退火能够恢复纳米金刚石晶粒的晶格完整性, 减小由掺杂引起的内应力, 从而提高薄膜的电学性能. 可见光Raman光谱测试结果表明, 1000℃退火后, Raman谱图中反式聚乙炔 (TPA) 的1140 cm^-1峰消失, 此时薄膜电学性能较好, 说明TPA减少有利于提高薄膜的电学性能. 退火后金刚石相含量的增大、金刚石晶粒的完整性提高及TPA含量的大量减少有利于提高薄膜的电学性能. 关键词： 硼掺杂纳米金刚石薄膜 退火 微结构 电学性能     

Influence of annealing treatment on as-grown Ib-type diamond crystal at a high temperature and high pressure

In this paper,we report on the influence of annealing treatment on as-grown Ib-type diamond crystal under high pressure and high temperature in a china-type cubic anvil high-pressure apparatus.Experiments are carried out at a pressure of 7.0 GPa and temperatures ranging from 1700 C to 1900 C for 1 h.Annealing treatment of the diamond crystal shows that the aggregation rate constant of nitrogen atoms in the as-grown Ib-type diamond crystal strongly depends on diamond morphology and annealing temperature.The aggregation rate constant of nitrogen remarkably increases with the increase of annealing temperature and its value in octahedral diamond is much higher than that in cubic diamond annealed at the same temperature.The colour of octahedral diamond crystal is obviously reduced from yellow to nearly colorless after annealing treatment for 1 h at 1900 C,which is induced by nitrogen aggregation in a diamond lattice.The extent of nitrogen aggregation in an annealed diamond could approach approximately 98% indicated from the infrared absorption spectra.The micro-Raman spectrum reveals that the annealing treatment can improve the crystalline quality of Ib-type diamond characterized by a half width at full maximum at first order Raman peak,and therefore the annealed diamond crystals exhibit nearly the same properties as the natural IaA-type diamond stones of high quality in the Raman measurements.     

Pulsed electron beam annealing and furnace annealing of Cu-implanted Al single crystals

A comparison has been performed of the effects of pulsed electron beam annealing (PEBA) and furnace annealing on the distribution and lattice site occupation of Cu implanted into Al single crystals. Both parameters have been determined by Rutherford backscattering and channeling measurements with 2 MeV He⁺ ions. With furnace annealing at 300°C the Cu diffusion into the bulk was determined by the release process from the implanted layer, while for PEBA a redistribution of the copper was observed for pulses with deposited energy densities above the threshold for melting. A supersaturated solid solution with 95% (2.1 at.%) of the impurity atoms on substitutional sites was formed by the electron beam treatment. After thermal annealing only little improvement of the lattice site occupation was observed with 66% of the impurities atoms on lattice sites, however with slight displacements from the perfect positions.     

磷离子注入纳米金刚石薄膜的n型导电性能与微结构研究

系统研究了磷离子注入并在不同温度退火后的纳米金刚石薄膜的微结构和电学性能.研究表明,当退火温度达到800 ℃以上时,薄膜呈良好的n型电导.Raman光谱和电子顺磁共振谱的结果表明,薄膜中金刚石相含量越高和完整性越好,薄膜电阻率越低. 这说明纳米金刚石晶粒为薄膜提供了电导.1000 ℃退火后,薄膜晶界中的非晶石墨相有序度提高,碳悬键数量降低,薄膜电阻率升高.薄膜导电机理为磷离子注入的纳米金刚石晶粒提供了n型电导,非晶碳晶界为其电导提供了传输路径. 关键词： 纳米金刚石薄膜 n型 磷离子注入     

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.     

Explanation of atomic displacement around lattice vacancies in diamond based on electron delocalization

The relationship between unpaired electron delocalization and nearest-neighbor atomic relaxations in the vacancies of diamond has been determined in order to understand the microscopic reason behind the neighboring atomic relaxation. The Density Functional Theory (DFT) cluster method is applied to calculate the single-electron wavefunction of the vacancy in different charge states. Depending on the charge and spin state of the vacancies, at outward relaxations, 84-90% of the unpaired electron densities are localized on the first neighboring atoms. The calculated spin localizations on the first neighboring atoms in the ground state of the negatively charged vacancy and in the spin quintet excited state of the neutral vacancy are in good agreement with Electron Paramagnetic Resonance (EPR) measurements. The calculated spin localization of the positively charged vacancy contrasts with the tentative assignment of the NIRIM-3 EPR signal to this center in (p-type) semiconductor diamond. The sign of the lattice relaxation in the diamond vacancy is explained based on the effect of electron delocalization on nearest-neighbor ion-ion screening, and also its effect on the bond length of neighboring atoms.     

Defect annealing in Sb/Sn implanted diamond investigated with Sn Mössbauer spectroscopy

The annealing of defects in Sb/Sn implanted diamond has been studied in ¹¹⁹Sn Mössbauer spectroscopy following the implantation of radioactive parent isotopes ¹¹⁹Xe and ^119mSn. Our results show that after annealing above 1300 K, 40% of the implanted ions are located at or near regular sites in the lattice. Significant implantation induced defects however remain.     

单晶硅纳米切削中C–C键断裂对金刚石刀具磨损的影响

本文基于分子动力学方法模拟金刚石刀具纳米切削单晶硅, 从刀具的弹塑性变形、C–C键断裂对碳原子结构的影响以及金刚石刀具的石墨化磨损等方面对金刚石刀具的磨损进行分析, 采用配位数法和6元环法表征刀具上的磨损碳原子. 模拟结果表明: 在纳米切削过程中, 金刚石刀具表层C–C键的断裂使其两端碳原子由sp³杂化转变为sp²杂化, 同时, 表面上的杂化结构发生变化的碳原子与其第一近邻的sp²杂化碳原子所构成的区域发生平整, 由金刚石的立体网状结构转变为石墨的平面结构, 导致金刚石刀具发生磨损; 刀具表面低配位数碳原子的重构使其近邻区域产生扭曲变形, C–C键键能随之减弱, 在高温和高剪切应力的作用下, 极易发生断裂; 在切削刃的棱边上, 由于表面碳原子的配位严重不足, 断开较少的C–C键就可以使表面6 元环中碳原子的配位数都小于4, 导致金刚石刀具发生石墨化磨损.