CVD金刚石薄膜表面的缺陷研究

用SEM方法观察分析了CVD金刚石薄膜表面的缺陷形貌和结构,直观的两种缺陷为孪晶和孔洞.孪晶反映了晶粒的不完整性,它的产生取决于气相中活性分子的浓度与生长表面活性位数目的比值,孪晶比率随碳源浓度升高和衬底温度的降低而增大;孔洞反映了膜的不致密性,其产生与膜生长速率和衬底表面初始成核密度切相关,孔洞密度随碳源浓度升高和衬底温度的升高而增大.     

不同反应气氛下氢终止金刚石表面的活化性能

为了探究金刚石沉积过程中不同反应气氛下萃取基团对金刚石表面活化的影响,基于金刚石的同质外延生长机理,采用第一性原理平面波赝势方法分析了三种萃取基团(H、OH、Cl)在氢终止的金刚石[100]表面的吸附难易程度;并通过过渡态搜索计算,获得了CH4/H2,CH4/H2/CH3 COCH3,C2 H5 Cl/H2三种反应气氛下金刚石氢终止表面产生活性位点的反应热及活化能.经对比分析后发现,H、OH、Cl在氢终止金刚石表面的吸附能逐渐增强,且Cl萃取金刚石表面氢原子产生活性空位的能垒最低.因而,在传统的CH4/H2气氛中引入氧元素或氯元素能有效降低金刚石表面活化所需的能量.     

灯丝形变对金刚石薄膜沉积的影响

研究了热丝ＣＶＤ系统中灯丝形变引起金刚石薄膜厚度的不均匀性，指出其根源在于灯丝形变使得基底表面温度不均匀，使各处的生长率不一样，并基于一简单模型分析了基底各处生长率与灯丝形变的关系。     

等离子体CVD金刚石薄膜衬底正偏压增强成核效应机理研究

衬底正偏压增强成核效应是最近等离子体ＣＶＤ金刚石薄膜中光滑衬底表面金刚石的成核研究发现的，它对于增强和控制金刚石在非金刚石衬底光滑表面的成核行为具有重要的意义。基于已经得到的实验结果。本文分析了衬底正偏压作用于成核过程的机理，提出了这种效应的电子流密度模型，并且给出了正偏压增强效应与沉积参数的关系，描述了正偏压处于过渡和饱和区时的成核状态，合理地解释了所谓“正偏压阻止成核”现象，本模型的结果与已经     

甲烷浓度对CVD自支撑金刚石薄膜残余应力的影响

根据唯像理论研究了化学气相沉积自支撑金刚石薄膜中织构和弹性性能之间的关系,揭示了晶体取向和织构对残余应变和残余应力的影响.织构使CVD金刚石薄膜杨氏模量和宏观残余应变呈现各向异性,而且两者呈现相反的分布规律.织构和杂质都能影响金刚石薄膜的弹性模量和残余应变,但是织构的影响是主要的.实验中测量的残余应变很好的符合了根据薄膜织构计算得到的弹性模量值.因此可以借助改变薄膜织构来调节薄膜的残余应力.     

直流电弧等离子体CVD金刚石膜中氢杂质研究

运用傅里叶红外光谱(FT-IR)和核反应分析(NRA)对直流电弧等离子体制备的金刚石膜中的氢杂质进行了研究,并通过添加少量空气到反应气体的实验分析了氢杂质的变化.研究结果发现:红外光谱只能检测金刚石膜中的成键氢,其含量随着氮渗入量的增加而增加,并得出2820 cm~(-1)处的吸收是由氮结合的CH基团振动引起的,2832 cm~(-1)处的吸收可能是由金刚石膜特征结构缺陷结合的CH基团振动引起的,而不是氧相关的基团.核反应分析可以检测金刚石膜中的总氢含量,近表面小于50 nm层氢含量变化快,大于50 nm之后氢含量趋于稳定,此值认为是金刚石膜中的总氢含量.     

定向金刚石薄膜的“分送”热丝法生长

本文采用分离送入反应气体的热丝法，制备｛１１０｝晶面占优的定向金刚石薄膜；研究了沉积几何对定向形貌的影响。实验表明，若要得到定向形貌，沉积几何需有严格的限制。     

非金刚石衬底表面气相生长金刚石薄膜的成核理论（Ⅱ）：宏观粗糙表面衬底

本文在文献［１］基础上，建立了在低压气相生长金刚石薄膜过程，金刚石在宏观粗糙的非金刚石衬底表面上的成核理论。该理论不仅合理地解释了实验上发现的缺陷对扩散原子的加速聚集作用，而且给出了微蚀坑对缺陷成核破坏的物理机制，这已被实验所验证。     

Ti、V、Ni、Mo对CVD金刚石涂层形核影响

基于密度泛函理论,计算分析了CH₃基团在含有过渡金属元素Ti、V、Ni、Mo的孕镶金刚石颗粒硬质合金基底表面的吸附能、Mulliken电荷分布、电荷密度差和态密度(density of states, DOS)等一系列性质,研究Ti、V、Ni、Mo对孕镶金刚石颗粒硬质合金基底化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石涂层形核阶段的影响及其作用机理。计算结果表明:与CH₃基团在WC表面及金刚石表面的吸附相比,Ti、V、Ni、Mo与C原子间有较强的弱相互作用,这使得其对CH₃基团有更强的吸附能力(其中Ti>V>Mo>Ni);吸附能力大小与各原子的价电子结构相关,含有Ti元素的表面对CH₃的吸附最稳定;CH₃基团与Ni原子间更易发生电荷的转移形成共价键,Mo有利于促进CH₃基团的脱氢反应;形核阶段适当添加Ti、V、Ni、Mo这几种过渡金属元素将有利于增加形核密度,改善CVD金刚石膜基界面结合强度。     

氩气对直流弧光放电PCVD金刚石薄膜晶体特征的影响

本文采用自主研制的直流弧光放电等离子体CVD设备,在YG6硬质合金基体上进行了不同氩气流量下金刚石薄膜的制备研究.采用SEM对金刚石薄膜的晶体特征进行了观察.结果表明,氩气对直流弧光放电等离子体CVD金刚石薄膜的晶体特征有明显影响.在CH_4/H_2恒定时(0.8;),硬质合金基体上制备的金刚石薄膜表面形貌随Ar流量增加而变化的规律,即从以(111)八面体晶面为主→(111)和(100)立方八面体混杂晶面→以(100)立方体晶面为主→菜花状的顺序转变;当Ar流量为420～700 mL/min时,金刚石晶粒的平均尺寸由1.5 μm 逐步增大到7 μm;Ar流量为700～910 mL/min时,金刚石晶粒的平均尺寸由7 μm急剧减小到纳米尺度,约50 nm.     

环形天线-椭球谐振腔式MPCVD装置高功率下沉积高品质金刚石膜

介绍了自行研制的环形天线-椭球谐振腔式高功率MPCVD装置的结构特点,展示并研究了新装置在高功率条件下的放电特性.在10.5 kW的高微波输入功率下成功制备了直径50 mm,厚度接近1 mm的高品质自支撑金刚石膜.在真空泄漏速率约2.5 ×10-6 Pa·m3/s的条件下金刚石膜的生长速率达到6μm/h,金刚石膜厚度偏差小于±2.1;.抛光后的金刚石膜红外透过率在6.5～25μm范围内接近71;;紫外透过率在270 nm处超过50;,金刚石膜样品的光学吸收边约为225 nm;通过紫外吸收光谱计算的金刚石膜样品中的氮杂质含量约为1.5 ppm;金刚石膜的拉曼半峰宽小于1.8 cm-1.     

热丝化学气相法生长单晶金刚石颗粒的衬底温度场仿真及实验研究

本文使用金刚石磨料作为晶种颗粒,通过热丝化学气相法生长出单晶金刚石颗粒,并且建立三维的有限元模型,利用有限元仿真分析了生长过程中影响金刚石磨料生长速率以及沉积质量的各种因素,如热丝的排列方式,衬底的温度场,以及晶种的分布方式.通过固定在热丝CVD反应腔里的热电偶测量了实际的衬底温度分布,从而验证了仿真结果的正确性.另外,通过改变仿真模型优化了沉积单晶金刚石颗粒的工艺参数,获得适应于合成单晶金刚石颗粒的新技术,为化学气相沉积合成单晶金刚石颗粒奠定了基础,也为高温高压金刚石磨料品级的改进与提高提供了新途径.     

蒙特卡罗模拟金刚石薄膜化学气相沉积过程中甲烷浓度的影响

本工作采用蒙特卡罗模拟,研究了以CH4/H2气体混合物作为源料气体的电子辅助热丝化学气相沉积中甲烷浓度对气相沉积过程的影响.计算了典型实验条件下电子能量分布,研究了电子平均能量、碎片H及CH3数目的空间分布、H与CH3的比值及CH3携带的能量随甲烷浓度的变化.结果表明:当电子能量为2-3eV时,电子的数密度达到一峰值;平均电子能量随着甲烷浓度的增加而增加;电子与气体分子碰撞产生的碎片H、CH3和CH2的数密度随距热丝的距离而变化;随着甲烷浓度的增加,原子氢H的数目缓慢下降,然而,官能团CH3和CH2的数目缓慢上升;H与CH3的数量比随甲烷浓度的增加而减少;碎片CH3携带的能量处于1～5eV范围之内,且当甲烷浓度为1.3;时,该能量达到一最值.     

Modelling the growth of nitrides in ammonia‐rich environment

Surface properties and the principal processes at the growth of gallium nitride on GaN (0001) face in ammonia‐based are modeled using DFT (density functional theory – SIESTA code) ab initio calculations and 2‐d diffusion analysis. The GaN growth methods are: ammonia‐source MBE, MOVPE, and also HVPE. The adiabatic trajectories, calculated for hydrogen‐rich and hydrogen‐free state of the GaN(0001) surface, include the adsorption of NH₃, GaCl and HCl molecules and the desorption of Ga atoms. The adsorption of ammonia and GaCl has no energy barrier. Thus, in contrast to the results concerning Plasma‐Assisted Molecular Beam Epitaxy (PA MBE), proving that the GaN(0001) surface remains in metal‐rich state, these results indicate that, in the ammonia‐rich environment, typical for HVPE and MOVP growth, the GaN(0001) surface remains in the nitrogen‐rich state. In the case of HCl adsorption, the energy barrier depends on the surface coverage, and could reach 2.0 eV. The direct desorption of single Ga atom has the energy barrier, close to 7 eV. This indicates that Ga surface diffusion (growth controlling process) length is very large, leading to strong interaction of the step kinetics and the diffusion on the terraces. This interaction leads to double–step intertwined structures both in the case of dislocation‐mediated spiral growth and in the step flow growth mode. These morphologies, proposed by the geometric arguments, are observed in the atomic force microscopy (AFM) scans of the GaN(0001) surface. Additionally we have compared the interaction energy of two hydrogen atoms obtained in the DFT SIESTA and the high precision Gaussian in coupled cluster singles, double and perturbation triples CCSD(T) approximation. Both approaches yielded virtually identical interaction energy confirming the validity of DFT analysis of ammonia‐rich growth of GaN. (© 2007 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

In原子替位位置对新型正交GaN影响的第一性原理研究

铟(In)原子替位位置对开发新型正交GaN的储氢材料具有重要意义。当前关于In原子替位位置对正交GaN材料的影响研究相对薄弱。本文基于第一性原理研究了不同In原子替位位置下InGaN材料的形成能、电子结构、弹性特性和力学稳定性。结果表明,通常情况下间隔三个原子的In原子替位位置的形成能最小且该体系最易形成。在相同的掺杂情况下,该结构的InGaN材料也具有较大的带隙宽度以及较小的弹性模量、体积模量、剪切模量与弹性模量,这意味着其抗压能力、抗剪切应力的能力较弱,韧性以及硬度较低。此外,声子谱计算结果表明,间隔三个原子的InGaN材料在环境压力下也具有良好的力学稳定性。本研究为正交GaN的新型储氢超材料的研究提供了理论依据。