化学气相沉积金刚石生长表面氢原子覆盖率的研究

化学汽相沉积金刚石生长表面的悬挂键是其赖以成核和生长的表面尖性格点，但是两个以上悬挂键聚集在一起时，局部表面能量比较高，悬键之间容易发生重构一起时π键或者ｄｉｍｅｒ键，成为石墨结构的生长基样点。因此，金刚石的生长主要依赖于表面上的单个悬挂键集团和气相中的碳氢活性基团。     

原子氢与金刚石表面的相互作用

用高分辨率电子能量损失谱研究了氢原子吸附在金刚石表面的各种振动模式,其中主要是位于360meV处的C—H键的伸长振动和位于160meV处的“剪”振动。用氚原子代替氢原子吸附在金刚石表面,观测到上述振动模式所发生的同位素位移。将金刚石表面加热至900℃后,各种振动模式全部消失,这时吸附氢原子全部脱去,金刚石表面的悬键变成平躺在表面上,导致金刚石表面石墨化。由于石墨化后π-带的作用,在损失谱上出现一个非弹性的、连续的损失峰结构。我们用UPS和AES技术进一步证实了脱氢后金刚石表面的石墨化。 关键词：     

清洁Si(111)表面电子结构的理论研究

本文报道在原子集团模型下用CNDO-SCF方法对清洁Si(111)表面电子结构的系统研究结果:(1)计算了表面上的净电荷分布、电荷转移以及局域在各原子轨道上的电荷;发现T₃⁰,T₃⁺和T₃^-式的表面悬挂键结构较难存在;表面原子趋于形成带有分数电荷的悬挂键,而实际上这些悬挂键彼此结合成弯键;表面原子及其悬挂键上有净电荷积累,且有很强的定域性和取向性。(2)计算了原子集团模型的静 关键词：     

电子助进化学气相沉积金刚石中发射光谱的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法，对源料气体为CH4/H2混合气的电子助进化学气相沉积（EACVD）中 的氢原子(H)、碳原子(C)以及CH基团的发射过程进行了模拟.研究了CH4浓度、反应室气压 和衬底偏压等工艺参数对发射光谱及成膜的影响.研究发现，CH基团可能是有利于金刚石薄 膜生长的活性基团，而碳原子不是；偏压的升高可提高电子平均温度及衬底表面附近氢原子 的相对浓度；通过氢原子谱线可测定电子平均温度并找到最佳成膜实验条件.该结果对EACVD 生长金刚石薄膜过程中实时监测电子平均温度，有效控制工艺条件，生长出高质量的金刚石 薄膜具有重要的意义. 关键词： 蒙特卡罗模拟 金刚石薄膜 发射光谱     

原子轰击调制离子束溅射沉积Ge量子点的生长演变

采用离子束溅射沉积的方法在Si衬底上生长Ge量子点,观察到量子点的生长随Ge原子层沉积厚度θ的增加经历了两个不同的阶段.当θ在6—10.5个单原子层(ML)范围内时,量子点的平均底宽和平均高度随θ增加同时增大,生长得到高宽比较小的圆顶形Ge量子点,伴随着量子点的生长,二维浸润层的厚度同时增大,量子点的分布密度缓慢增加;当θ在11.5一17 ML范围内时,获得高宽比较大的圆顶形Ge量子点,量子点以纵向生长为主导,二维浸润层的离解促进量子点的成核和长大,量子点的分布密度随θ的增加快速增大;量子点在θ由10.5 ML增加到11.5 ML时由一个生长阶段转变到另一个生长阶段,其分布密度同时发生6.4倍的增加.离子束溅射沉积Ge量子点的生长演变与在热平衡状态下生长的量子点不同,在量子点的不同生长阶段,其表面形貌和分布密度的变化特点是在热力学条件限制下表面原子动态演变的结果,θ的变化是引起系统自由能改变的主要因素.携带一定动能的溅射原子对生长表面的轰击促进表面原子的扩散迁移,同时压制量子点的成核,在浸润层中形成超应变状态,因而,改变体系的能量和表面原子的动力学行为,对量子点的生长起重要作用.     

超纳米金刚石薄膜结构相变的第一原理分子动力学研究

纳米金刚石薄膜的结构相变非常复杂,对稳定性和物理性质又尤为重要。本文用第一性原理分子动力学模拟研究了超纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构。研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开（111）面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎片;内部原子sp3杂化向sp2杂化转化的发生是从（111）面上成对C原子向石墨相转化时形成π键的过程中获得了能量,驱动石墨的转变由表层向心部逐渐进行。转变过程中存在一种洋葱状富勒烯和金刚石结构共存的过渡相——Bucky-diamond,表面悬空键的消除和表层的富勒烯外壳最大限度地降低了表面能和系统总能量,Bucky-Diamond结构稳定存在。     

超高压高温烧结中金刚石表面石墨化过程再研究

 通过3组模拟实验,考察了低压高温下金刚石表面石墨化条件和超高压高温条件下金刚石表面石墨化过程,发现在钴-碳共晶点以下、超高压高温烧结样品WC-Co基体附近区域金刚石表面已发生石墨化,XRD测试结果表明,超高压高温烧结过程中金刚石表面经历了石墨化初期、高峰期和抑制期三个阶段。     

模板对异构体选择性生长的动力学控制作用与化学气相沉积金刚石的生长机理

阐述了模板的动力学控制作用对大尺度有序结构特别是亚稳相的生长，对自由能相差很小的异构体的选择生长所具有的重要作用.汲取现有金刚石生长理论的合理思想，以模板概念为基础给出了对化学气相沉积(CVD)过程的动力学热力学综合描述：1)碳原子在碳氢化合物中的化学势高于固相碳，气相碳氢化合物的碳原子有可能落到化学势较低的固态碳的各种异构体.2)气相碳通过表面反应实现向固相碳的转化.3)表面的模板作用是控制气相碳原子转换方式的主要动力学因素，不同的表面(石墨各种取向的表面及金刚石不同取向的表面)选择了落入其上的碳原子的结构方式及能量状态.4)因此,衬底的不同区域可发生几种不同的独立的表面反应过程,这些反应对应于不同表面的生长.5）而这些表面反应的方向性及速度受表面临域热力学因素的影响，反应的方向性决定了某种晶面是生长或刻蚀，在特定的温度、压强及各种气体分压下可以实现金刚石的生长和石墨的刻蚀.6)衬底局域晶格结构及键价结构和衬底表面气相的温度、压强及各种气体分压等热力学条件共同决定了成核的临界条件.7）与外界有能量和物质交换的等离子体系统，以及气相中发生的一系列化学反应，仅起到了维持某种固相表面生长所需要的非平衡热力学条件和化学条件的作用.金刚石和石墨表面具有的模板动力学控制作用，在特定热力学条件下主导自身外延层的生长方式；异质衬底的某些局域微观结构可以作为新相生长成核的局域模板；不同材料、不同的处理方法、及不同的化学环境下的衬底具有不同的局域微观结构，从而决定了多晶薄膜的取向优势. 关键词： 模板 异构体 选择性生长 金刚石薄膜     

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.     

氮气氛下(100)织构金刚石薄膜的成核与生长研究

利用热丝化学气相沉积法研究了氮气浓度对金刚石薄膜成核和生长的影响.实验发现氮气的 加入对金刚石成核密度影响不大,但促进了已形成的金刚石核的长大.适量的氮气不仅使金 刚石生长速率得到很大的提高,而且稳定了金刚石薄膜(100)面的生长,使金刚石薄膜具有 更好的(100)织构.利用原位光发射谱对衬底附近的化学基团进行了研究.研究表明,氮气的 引入使得金刚石生长的气相化学和表面化学性质发生了很大变化.含氮基团的萃取作用提高 了金刚石表面氢原子的脱附速率,从而提高了金刚石膜的生长速率.而含氮基团的选择吸附 使金刚石 关键词： 氮气 金刚石薄膜 织构 原位光发射谱     

Electron behaviour in CH4／H2 gas mixture in electron-assisted chemical vapour deposition

The behaviour of electrons in CH_{4}/H_{2} gas mixture in electron-assisted chemical vapour deposition of diamond is investigated using Monte Carlo simulation. The electron drift velocity in gas mixture is obtained over a wide range of E/P (the ratio of the electric field to gas pressure) from 1500 to 300000 (V/m kPa^{-1}). The electron energy distribution and average energy under different gas pressure (0.1－20kPa) and CH_{4} concentration (0.5%－10.0%) are calculated. Their effects on the diamond growth are also discussed. It is believed that these results will be helpful to the selection of optimum experimental conditions for high quality diamond film deposition.     

Photoluminescence of SiV centers in CVD diamond particles with specific crystallographic planes

We prepared the isolated micrometer-sized diamond particles without seeding on the substrate in hot filament chemical vapor deposition. The diamond particles with specific crystallographic planes and strong silicon-vacancy(SiV) photoluminescence(PL) have been prepared by adjusting the growth pressure. As the growth pressure increases from 2.5 to 3.5 kPa,the diamond particles transit from composite planes of {100} and {111} to only smooth {111} planes. The {111}-faceted diamond particles present better crystal quality and stronger normalized intensity of SiV PL with a narrower bandwidth of 5 nm. Raman depth profiles show that the SiV centers are more likely to be formed on the near-surface areas of the diamond particles, which have poorer crystal quality and greater lattice stress than the inner areas. Complex lattice stress environment in the near-surface areas broadens the bandwidth of SiV PL peak. These results provide a feasible method to prepare diamond particles with specific crystallographic planes and stronger SiV PL.     

集中力作用下硅中位错结构

本文用化学侵蚀法研究了硅单晶样品在800—1000℃印压得到的位错“花结”。实验结果说明:印压产生的位错分布在{111}滑移面上;位错线的取向大部分是<110>或<112>方向。分析并观察到在压印下有两种位错环,一种是柏格斯矢量沿<110>方向并平行于(111)印压面;一种是柏格斯矢量沿<110>方向并与印压面相交。对位错环的结构进行了分析。     

锑化铟单晶的小平面生长及孪晶

采用切克劳斯基技术,观察了按不同晶向从熔态生长InSb单晶时固液界面的形貌。实验表明,结晶面上{111}小平面的发展和性质与单晶体的外形及孪晶的形成有着密切的关系,采用一个闪锌矿结构的{1ll}面八面协及双八面体模型能成功地解释各种实验现象。 关键词：     

Growth of nano-crystalline diamond on single-crystalline diamond by CVD method

Nanocrystalline (NC) diamond films are grown by chemical vapor deposition on various single crystal diamond faces. Under conditions of NC diamond growth, the growing filmmorphology is reduced to two planes: {100} and {111}. The {100} planes are smooth and homoepitaxial layerby-layer growth occurs on them, whereas the NC film formed by twin crystalliteswith sizes of several tens and hundreds nanometers grows on {111} planes. Nitrogen impurity sharply increases the diamond growth rate.     

Diamond cleavage: importance to high pressure research

The extraordinary properties of diamond make it the number-one choice for anvils in high pressure experiments involving anvil cells. In much of the literature on the properties of diamond the only cleavage mentioned is {111}. However, experience has shown that diamond anvils made with their [001] axis oriented in line with the principal stress axis of the anvil or at a small angle to it often failed with flat faces having {110} orientations; a cleavage plane is reported in some publications. Analysis of the anisotropy of strength and Poisson ratio in diamond has shown that such orientations do, indeed, favor initial failure on {110} cleavage planes. This analysis, in conjunction with stereographic projections of the {111} and {110} cleavage planes, suggests that a 27° tilt of the [001] axis with respect to the linear stress axis by rotation around the [100] or [010] axis should provide significantly greater resistance to failure by cleaving.     

高温高压下掺硼宝石级金刚石单晶生长特性的研究

本文在5.1—5.6 GPa,1230—1600℃的压力、温度条件下,以FeNiMnCo作为触媒,进行单质硼添加宝石级金刚石单晶的生长研究.借助于有限元法,对触媒内的温度场进行模拟.研究得到了FeNiMnCo-C-B体系下,金刚石单晶生长的P-T相图.该体系下合成金刚石单晶的最低压力、温度条件分别为5.1 GPa,1230℃左右.研究发现,在单晶同一{111}扇区内部,硼元素呈内多外少的分布规律.有限元模拟结果给出,该分布规律是由在晶体生长过程中,{111}扇区的增长速度逐渐减小所致.{111}晶向的晶体生长实验结果表明,硼元素优先从{111}次扇区进入晶体.研究发现,这是该扇区增长速度相对较快,硼元素扩散逃离可用时间短导致的.另外,同磨料级掺硼金刚石单晶生长相比,对于温度梯度法生长掺硼宝石级金刚石单晶,由于晶体的增厚速度较慢,即使硼添加量相对较高,也可以实现表面无凹坑缺陷的优质金刚石单晶的生长.     

Research of the behaviour of O chemisorption on the (110) surface of Rhx--Pt1－x alloy

An atomic group model of the disordered binary alloy Rhx-Pt1-x has been constructed to investigate surface segregation. According to the model, we have calculated the electronic structure of the Rhx-Pt1-x alloy surface by using the recursion method when O atoms are adsorbed on the Rhx-Pt1-x （110） surface under the condition of coverage 0.5. The calculation results indicate that the chemical adsorption of O changes greatly the density of states near the Fermi level, and the surface segregation exhibits a reversal behaviour. In addition, when x 〈 0.3, the surface on which O is adsorbed displays the property of Pt; whereas when x 〉 0.3 it displays the property of Rh.     

CVD金刚石薄膜孪晶形成的原子机理分析

采用X射线衍射技术、电子背散射衍射技术和扫描电镜分别观察了不同甲烷浓度条件下沉积的CVD自支撑金刚石薄膜的宏观织构、晶界分布和表面形貌. 研究了一阶孪晶在金刚石晶体{111}面生长的原子堆垛过程. 结果表明，由于一阶孪晶〈111〉60°的取向差关系以及{111}面的原子堆垛结构，使{111}面上容易借助碳原子的偏转沉积产生一阶孪晶. 低甲烷浓度时，碳原子倾向于在表面能较低的{111}面沉积，为孪晶的形成提供了便利，且高频率孪晶使薄膜织构强度减弱. 甲烷浓度升高使生长激活能较小的{001}面成为主要前沿生长面，因而只有〈001〉晶向平行薄膜法向的晶粒能够不断长大，因此孪晶形核概率明显减小. 另外，在薄膜中发现二阶孪晶，并对二阶孪晶的形成进行了分析. 关键词： 金刚石薄膜 孪晶 原子机理 取向差