纳米金刚石薄膜的掺杂、表/界面调控及性能研究

本文综述了近年来国内外研究者在纳米金刚石薄膜的掺杂、导电性能、场发射性能和电化学性能等方面的工作,涉及化学气相沉积法制备n型纳米金刚石薄膜,离子注入掺杂纳米金刚石晶粒提高薄膜的n型导电性能,金属离子注入制备场发射性能良好的纳米金刚石薄膜,低剂量离子注入和晶粒表面氧终止态获得高迁移率n型电导,纳米金刚石/石墨烯复合结构的调控对其电学及电化学性能的影响,以及硼掺杂金刚石薄膜电极的微结构和电化学性能研究等。综合分析发现,晶粒掺杂和表界面协同调控可以提升薄膜的电学性能、场发射性能及电化学性能,为纳米金刚石薄膜在纳米电子器件、电化学电极等领域的应用提供了理论基础。     

P型掺杂金刚石厚膜的电火花加工

CVD金刚石具有和天然金刚石相近的一系列独特的力学、热学、声学、电学、光学和化学性能,在航空、航天、国防等高科技领域具有广阔的应用前景.但是,普通CVD金刚石膜是绝缘体,无法直接进行电加工.本文在分析了电火花加工半导体材料去除速率的基础上,通过掺硼对CVD金刚石厚膜进行半导体改性,继而实现了其电火花加工.通过研究,建立了掺硼金刚石厚膜电火花加工去除速率的经验公式.最后,通过Raman和SEM分析对CVD金刚石厚膜的电火花加工机理进行了初步探讨.     

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。     

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.     

直流电弧等离子体喷射CVD硼掺杂金刚石薄膜的制备及电化学性能研究

采用直流电弧等离子体喷射CVD(Chemical Vapor Deposition)法在硅(100)衬底上制备了(111)占优的掺硼金刚石(BDD)薄膜,研究了压强对薄膜生长的影响,在压强为5500Pa时得到了(100)占优的金刚石薄膜,并用SEM、XRD及拉曼光谱分析了薄膜的表面形貌、晶体结构、薄膜品质.测试结果表明,掺硼金刚石膜具有较好的成膜质量.霍尔测试表明BDD的电阻率为0.0095Ω·cm,载流子浓度为1.1×1020 cm-3;研究了BDD薄膜电极在硫酸钠空白底液、铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液和多巴胺溶液中的循环伏安曲线(CVs),发现该金刚石薄膜电极在硫酸钠中具有较宽的电化学窗口(约为4V)、接近零的背景电流和良好的可逆性,利用BDD电极检测多巴胺溶液,具有明显的氧化还原峰值和较好的稳定性.结果表明利用该方法制备的BDD电极在电化学检测方面具有明显的优势.     

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.     

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.     

BDD/Ti复合膜电化学特性及其在含油废水中的应用

为了提高传统膜材料的抗污染能力,采用化学气相沉积法在多孔钛膜材料表面沉积了掺硼金刚石薄膜,制备出了新型BDD/Ti复合膜.对BDD/Ti复合膜在含油废水中的电化学特性进行了分析,并对其处理效果进行了评价.结果表明膜分离技术结合电化学清洁技术,提高了膜的抗污染能力,同时增强了分离效果,延长了膜的使用寿命.     

自支撑金刚石厚膜表面外延掺硼金刚石薄膜研究

采用微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD),在抛光厚度0.5 mm的高热导率自支撑金刚石厚膜表面沉积厚度10 μm掺硼金刚石薄膜,通过热导率测试仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱、X射线光电子能谱以及四探针仪等测试手段对材料的热导率、形貌及微观质量、表面键合状态及导电性能等进行分析.结果表明,优化工艺后在自支撑金刚石厚膜表面外延形成了质量优异,结合力佳的掺硼金刚石薄膜,其电阻率最低为1.7 ×102 Ω·cm.同时,鉴于界面同质外延特性以及大尺寸晶粒特点,整体材料的热导率可高达1750 W/(m·K),显示这种层状复合材料良好的整体导热性能及表面导电性能.     

MPCVD掺硼金刚石薄膜的制备及Ti/BDD 电极上对硝基酚的阳极氧化测试

采用微波等离子体技术在CH4-H2-C2H6气体条件下制备了钛基掺硼金刚石薄膜.四点探针法测得薄膜电阻率在零掺杂时为1×1012Ω*cm ,当反应气源中B/C上升为5×10-3时电阻率降至5×10-3 Ω*cm.扫描电镜显示掺硼金刚石具有完整晶型和致密结构.拉曼光谱观察到金刚石结构在掺杂前后发生明显改变.采用循环伏安测试了Ti/BDD电极的电化学参量,并与PbO2, Sn-Sb and PbO2-Er三种电极进行阳极氧化对-硝基酚的对比实验.结果表明,在Ti/BDD电极上,对-硝基酚的总有机碳去除率接近100;,远高于其它三种电极.     

高温高压硼掺杂金刚石辐照缺陷的生长晶面依赖性研究

硼是金刚石中最常见的受主元素之一,其在价带之上0.37 eV处形成了浅能级,因此硼掺杂金刚石被认为是一种理想的p型半导体材料.在化学气相沉积法制备的硼掺杂金刚石中,硼杂质在晶体中的分布非常不均匀,其拉曼信号强度对测试位置的依赖性非常强,且可重复性很差.而对于高温高压法合成的硼掺杂金刚石来说,同一晶面上硼杂质分布变化较小.本文利用低温光致发光光谱研究了高温高压法合成的硼掺杂金刚石辐照缺陷的光致发光性质,并利用晶体生长理论讨论了辐照缺陷在不同晶面上的分布情况.     

硼含量对含硼金刚石单晶电学性能的影响

采用碳化硼添加量不同的铁基触媒,在高温高压下合成含硼金刚石单晶.用数字电桥和自制的电阻测量夹具测量了含硼金刚石单晶的电阻;用阴极射线发光光谱测量了金刚石单晶的光子频数;用XRD检测了不同硼含量掺杂的金刚石单晶的晶体结构.结果表明:随着触媒中碳化硼添加量的增加,含硼金刚石单晶的电阻率降低,可呈现半导体电阻特性.其原因是硼元素的掺入促进了金刚石单晶的(111)晶面生长,使受主能级提高,晶体的带隙变窄,载流子浓度提高.     

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。     

ZnO晶体的功能梯度分析

分析n-ZnO薄膜和硼掺杂p型金刚石薄膜在{111}面金刚石衬底上制作n-ZnO/p-金刚石p-n异质结的应用,ZnO体晶微观结构和缺陷分布及电阻、载流子浓度、迁移率分布特征,探讨了应用功能梯度材料理论研究ZnO晶体材料的方法.从而提出应系统地建立ZnO晶体内部组成和结构的梯度分布特性数据库,从不同的应用角度来进行ZnO晶体材料设计和研究.     

人造含硼金刚石单晶表面形貌与生长机制研究

本文借助Olympus光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对高温高压合成的含硼金刚石单晶表面形貌进行了分析.研究发现,含硼金刚石表面存在蚀坑、球形颗粒集团、平行台阶、花瓣状生长丘和三角形螺旋台阶等多种表面形貌.这些形貌与晶体内部的缺陷有关,硼原子的进入使金刚石晶体生长速度增加,位错增多,进而导致不同表面形貌的形成,螺旋位错生长是含硼金刚石的主要生长方式.     

高功率MPCVD金刚石膜透波窗口材料制备研究

使用自行研制的椭球谐振腔式MPCVD装置,以H2-CH4为气源,在沉积功率8 kW条件下,对大面积金刚石膜透波窗口材料进行了制备研究.分别使用扫描电镜、Raman、分光光谱仪、热导率测试仪和空腔谐振法对金刚石膜的表面形貌、品质、光透过率、热导率和微波复介电常数等进行了表征及测试.实验结果表明,使用自行研制的椭球谐振腔式MPCVD装置,能够满足较高功率下高品质金刚石膜的快速沉积;抛光后的自支撑金刚石膜具有高的光学透过率和热导率,在23 ～ 36 GHz频率范围内微波介电损耗小于1×10-4,有着良好的微波介电性能,是较为理想的透波窗口材料.     

高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。