掺氮N型纳米金刚石薄膜的电化学表面氢化及表征

针对掺氮N型纳米金刚石薄膜独特的结构特征,采用温和的电化学阴极表面极化处理成功实现了掺氮N型纳米金刚石薄膜的表面氢化。通过X射线光电子能谱(XPS)、表面接触角、电化学电容-电压分析、Raman光谱、扫描电子显微镜(SEM)表征,详细分析了阴极极化处理前后掺氮N型纳米金刚石薄膜的表面结构以及微观结构。结果表明,该阴极极化处理工艺不仅能够成功获得表面氢终止状态,而且对薄膜的微观结构尤其是晶界处sp2杂化态碳相无明显影响,说明该工艺是一种高效无损的掺氮N型纳米金刚石薄膜表面氢化工艺。

压力对掺氮纳米金刚石薄膜微观结构的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)系统,在单晶硅基底上,以三聚氰胺为氮源实现纳米金刚石(NCD)薄膜N原子掺杂,并通过控制反应气体的压力制备出不同条件的掺氮NCD薄膜。用场发射电子显微镜(FESEM)、原子力探针显微镜(AFM)和激光拉曼光谱(Raman)分析了不同气压对掺氮NCD薄膜表面形貌和物相成分的影响。结果显示:当压力由8 k Pa增加至12 k Pa时,薄膜颗粒尺寸减小,颗粒之间更加致密;表面粗糙度(RMS)也由90.4nm减少至40.4 nm;薄膜中金刚石相逐渐向SP2相转化。继续增加压力至15 k Pa时,薄膜颗粒尺寸呈增加趋势,并且分布不均匀;RMS也增加至131.5 nm;同时薄膜中SP2相含量达到最高。对12 k Pa条件下制备的掺氮NCD薄膜样品进行光电子能谱(XPS)检测,表明薄膜主要以SP2相碳含量为主,并且氮掺杂含量可达2.73%。

掺氮类金刚石薄膜的微观结构和红外光学性能研究

采用俄歇电子能谱、原子力显微镜、拉曼散射分析、傅里叶红外光谱和红外椭圆偏振光谱等设备 ,对射频等离子增强化学气相沉积法制备的掺氮类金刚石薄膜的微观结构和红外光学性能进行了研究 .结果表明 ,薄膜中氮含量随工艺中氮气 /甲烷流量比的增加而增加并趋于饱和 .光谱中 CH键吸收峰 (2 85 9～ 310 0 cm- 1 )逐渐消失 ,而且 CNH键(16 0 0 cm- 1 )、C≡ N键 (2 2 0 0 cm- 1 )和 NH键 (32 5 0 cm- 1 )对应的红外吸收峰强度随氮含量的增加而增加 .拉曼散射中G峰向小波数方向位移和峰值展宽的现象说明薄膜中形成了非晶的氮化碳结构 ,与原子力显微镜显示的薄膜中富氮的非晶纳米颗粒相对应 .偏振光谱分析认为 ,富氮纳米颗粒的存在导致了薄膜在红外波段折射率由 1.8降低到 1.

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。

磷离子注入石英基纳米金刚石薄膜的微结构和电学性能研究

在石英衬底上沉积纳米金刚石(NCD)薄膜,并进行1×1014 cm-2剂量的磷离子注入,再在800、900℃下低真空退火30分钟。对薄膜的微结构和电学性能的研究表明,薄膜呈n型电导,具有载流子浓度低、迁移率高及电阻率高的导电特性。Raman光谱结果显示900℃退火样品的ID/IG值最大,说明薄膜内sp2碳发生团簇,有序度较高。XPS测试结果表明,石英衬底上沉积的纳米金刚石薄膜容易被氧化。这些因素使得薄膜的载流子浓度较低而迁移率较高。

掺氮纳米金刚石薄膜的微观结构对微波场发射性能影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)方法,通过改变CH_4浓度,在单晶Si(100)基底上制备掺氮纳米金刚石(NCD)薄膜,并以所制备的掺氮NCD薄膜为阴极材料,通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、原子力扫描探针显微镜(AFM)、Raman光谱和S波段射频电子枪等测试方法系统地研究了掺氮NCD薄膜的微观结构对微波场发射性能的影响。结果表明:在CH_4浓度(体积比)为4%下,制备的掺氮NCD薄膜的颗粒呈多面体,而且颗粒尺寸和表面粗糙度较大,薄膜中金刚石相含量较高,这些微观结构使得微波场发射性能较高,在电场强度(E_0)为67.7 V·μm^(-1)时,发射电流密度(J0)高达144.8 m A·cm^(-2)。当升高CH_4浓度,所制备的掺氮NCD薄膜的颗粒尺寸减小而且连成条状结构,表面粗糙度也逐渐降低,薄膜中金刚石相减少、非金刚石相增加,这些微观结构的改变使得微波场发射性能逐渐降低。如当CH_4浓度增加至6%时,在电场强度E_0=67.7 V·μm^(-1)时,场发射电流密度降至37.9 m A·cm^(-2)。结果表明:低CH_4浓度下,掺氮NCD薄膜所具有的微观结构有利于微波场发射。

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.

n型金刚石薄膜催化生长碳纳米管

研究了n型金刚石薄膜作为催化剂生长碳纳米管的方法.首先采用丙酮裂解化学气相沉积(CVD)法制备均匀的n型金刚石薄膜,然后采用乙醇为碳源的CVD法,在850、900和950℃下,分别在n型金刚石薄膜上制备了碳球、竹节状碳管和多壁碳纳米管.所得产物用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱表征.实验结果表明产物的形貌与反应温度有关.我们还提出了与金刚石催化生长碳纳米管结果相符的实验机理.

掺氮纳米金刚石膜的制备和性能

以Ar、CH_4和CO_2为反应气源,以三聚氰胺的甲醇饱和溶液为掺杂源,用微波等离子体化学气相沉积法在单晶硅基体上制备了掺氮的金刚石薄膜;用原子力显微镜、拉曼光谱以及霍尔效应测试仪等手段表征了膜的组成结构和半导体特性。结果表明:掺氮的金刚石薄膜晶粒平均尺寸约为20nm,表面粗糙度约为8.935nm,其拉曼光谱为典型的纳米金刚石膜特征峰形;掺氮膜材的电导率高达0.76×10~2Ω^(-1)cm^(-1),载流子浓度达到2.18×10^(19)/cm^3,是一种导电性能优良的n型半导体纳米金刚石膜。