CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2004-2010年
金刚石、纳米、超纳米金刚石薄膜的生长与刻蚀研究
杨树敏
Subtype博士
Thesis Advisor朱智勇
2009-01-05
Degree Grantor中国科学院上海应用物理研究所
Place of Conferral上海应用物理研究所
Keyword化学气相沉积 金刚石 气压 刻蚀
Abstract由于金刚石、纳米、超纳米金刚石薄膜独特的物理化学性质及与此相关的潜在应用前景,金刚石相关薄膜的化学气相沉积(CVD)成为近年来金刚石合成研究的热点。同时,基于金刚石薄膜刻蚀技术的一维金刚石纳米阵列的研究,成为近年来实现其冷阴极器件应用的热点。但是,高质量金刚石薄膜的织构及低温生长,热丝化学气相沉积获得纳米金刚石薄膜的困难以及均匀分布的、密度、长径比可简易控制的一维金刚石纳米阵列的获得都是目前金刚石相关薄膜生长和刻蚀技术存在的难题,阻碍了金刚石相关薄膜及阵列结构的实际应用。本论文以低压化学气相沉积和刻蚀技术为基本手段,开展了金刚石相关薄膜生长及一维金刚石纳米阵列的制备研究。其中,低压条件下金刚石、纳米金刚石薄膜的生长和刻蚀是本论文的研究重点。 本论文系统研究了气压和衬底温度对金刚石薄膜生长的影响。研究表明:气压决定了衬底表面碳氢分子活性基团的浓度,在低压(5 Torr)条件下,衬底表面碳氢分子活性基团的浓度最高;通过研究低压(5 Torr)条件下衬底温度对薄膜生长的影响,发现在600 ℃左右可获得质量很高的金刚石薄膜,解决了低压高温条件下薄膜质量不高的难题;同时衬底温度影响薄膜的织构特性,薄膜由较高温度(800 ℃-700 ℃)下的<110>织构转变为约600 ℃时的<111>织构,为金刚石薄膜的织构生长找到了一条方便的途径;低压条件(5 Torr)还可促进高质量的金刚石薄膜的低温(约500 ℃)生长,为金刚石薄膜的低温生长探索出了一条简易的途径。 本论文也研究了低压促进的热丝化学气相沉积(HFCVD)系统中纳米金刚石薄膜的生长。发现体系气压降低导致生长纳米金刚石薄膜所需的Ar含量的降低,由40 Torr气压下的90%降至5 Torr气压下的50%;低压促进衬底表面C2浓度的升高,克服了以往纳米金刚石薄膜生长过程中必须十分高的Ar含量以促进亚稳态的Ar生成进而产生足够的C2的困难,不需亚稳态的Ar产生,使得纳米金刚石的生长更为方便。 本论文还研究了氮掺杂的超纳米金刚石薄膜的生长。研究发现氮气氛影响薄膜的成核及织构。薄膜整体呈<110>织构:无氮添加时纳米金刚石颗粒的迅速成核导致了薄膜明显的<110>织构,而氮添加导致了成核初期纳米颗粒的团聚,延缓了薄膜<110>织构的发生,最终使得等离子体中氮含量为20%时,薄膜<110>织构最弱。且在等离子体中氮含量为20%时,证实薄膜结构包含由金刚石纳米颗粒连接而成的金刚石纳米线结构。 本论文最后研究了用射频氢等离子体刻蚀工艺制备的一维金刚石纳米纤维阵列。发现通过控制衬底偏压、射频功率、衬底温度及刻蚀时间均可控制形成的一维金刚石纳米纤维的密度和长径比。通过对不同衬底的氢等离子体刻蚀研究,发现形成的一维纳米纤维结构都是由3-5 nm的金刚石颗粒连接而成的,与衬底结构无太大的关系。低压条件下的射频氢等离子体刻蚀金刚石相关薄膜,克服了传统反应离子束刻蚀技术必须引入金属模板和微波化学气相沉积(MPCVD)体系刻蚀技术难以形成均匀阵列结构的缺点,更易获得分布均匀、高密度的一维金刚石纳米纤维阵列。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/7240
Collection中科院上海应用物理研究所2004-2010年
Recommended Citation
GB/T 7714
杨树敏. 金刚石、纳米、超纳米金刚石薄膜的生长与刻蚀研究[D]. 上海应用物理研究所. 中国科学院上海应用物理研究所,2009.
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