单晶金刚石膜与多晶金刚石膜的制备工艺及性能

本文主要介绍了用微波等离子体化学气相沉积法(以下简称MP CVD法)以甲醇-氢气混合气和丙酮-氢气混合气为源气体,分别以单晶硅的(111)面和人造金刚石的(100)面为衬底材料,制备出了面积为20mm×20mm厚为10μm的多晶金刚石膜和面积为1.0mm×1.0mm厚为5μm的单晶金刚石膜。通过试验发现,源气体配比和衬底温度对薄膜质量起决定性作用。另外,衬底在反应腔中的位置对薄膜的生成也有很大影响。单晶金刚石膜制备过程中衬底金刚石的晶体取向与金刚石薄膜的生长及质量有密切的关系。在金刚石的(100),(110)和(111)面上分别获得了单晶金刚石膜和金刚石多晶粒子。选用扫描电镜、显微激光拉曼、反射电子衍射对多晶金刚石膜及单晶金刚石膜的性能进行了测试。     

再结晶石墨对宝石级金刚石单晶生长的影响

高温高压温度梯度法生长宝石级金刚石单晶的过程中,尽管处在金刚石稳定区内,却经常发现,有亚稳态的再结晶石墨存在.本研究发现,作为一种晶体,大量再结晶石墨的析出和生长对宝石级金刚石单晶的生长速度有较为明显的抑制作用,并且再结晶石墨更容易在较高温度合成区内出现.例如,使用NiMnCo触媒进行宝石级金刚石单晶合成过程中,随着合成温度的提高,当大量多余碳源不再以金刚石自发核形式析出,而是以大量片状再结晶石墨形式围绕在晶体周围时,晶体的生长速度有了大幅度的降低,从相对低温时的约3.0mg/h降到较高温度时的1.0mg/h.     

MPCVD法同质外延生长单晶金刚石技术概述

单晶金刚石具有极其优异的性质,如高热导率、高载流子迁移率和高的击穿电压,是制作高可靠性、高稳定性微波功率器件和探测器的理想材料,金刚石基器件可以应用于高温、高功率、强辐射的恶劣环境中。针对金刚石在电学领域与探测领域的潜在应用价值,发展高品质金刚石单晶生长技术尤为重要,而金刚石应用的首要问题是解决单晶和成本的问题。微波等离子化学气相沉积是实现低成本、大尺寸单晶金刚石生长的有效技术。对于如何提高单晶金刚石的生长速率,如何获得高质量、大尺寸单晶金刚石的问题,本文阐述了国内外微波等离子化学气相沉积法同质外延生长单晶金刚石技术研究方面取得的重要突破,详细介绍了提高MPCVD单晶金刚石沉积速率、金刚石晶片剥离技术、金刚石晶体三维生长扩大尺寸、金刚石单晶"马赛克"生长技术。     

Ce,Tb:YAG单晶的生长及光谱性能

采用提拉法生长了白光LED用的Ce和Tb共掺杂YAG(Ce,Tb:YAG)单晶。通过X射线粉末衍射分析了晶体样品的晶相结构,通过吸收光谱、激发和发射光谱对晶体的发光特性进行了表征。结果表明:所生长的单晶为立方晶相的YAG结构;在波长为460nm蓝光激发下,得到了发光中心位于546nm处的宽发射峰,较Ce:YAG单晶有明显的红移。同时,对不同厚度的晶体切片的光电参数进行了研究,发现厚度为0.5mm的晶体切片的光电参数最好。     

优质细颗粒金刚石单晶的高温高压合成与表征

文章利用国产六面顶高温高压设备,根据对金刚石合成不同区域的生长特点,通过对合成工艺的调整,实现了对体系中金刚石成核率与生长速率的控制,并成功合成出了具有完整晶形,尺寸大约在2~10μm的优质细颗粒金刚石单晶。通过热重-差热分析以及Raman光谱测试发现,合成具备完整晶面的细粒度金刚石单晶抗氧化强度大于表面粗糙的同粒度的金刚石微粉破碎料,且合成的晶体内部存在较小的残余应力。     

高温高压下金刚石同质外延生长的研究

文章在铁镍-石墨体系中,对金刚石晶形在不同生长条件下的形成过程进行了研究,并通过对合成晶体的形貌分析,进一步推测金刚石晶形的形成过程。实验中发现,后期合成晶体的晶形与前期合成晶体的晶形以及表面粗糙程度有着密切的联系;金刚石晶体在光滑完整的表面生长速度较快,而且合成晶体的晶形较为规则;不具备完整晶形的晶体在生长后期也能通过自身调节形成具备完整晶形的晶体,但合成晶体的规则性较差,表面容易出现缺陷,而且体系中出现大量自发核,为进一步了解金刚石的同质外延生长,以及金刚石晶体晶形的形成过程提供了一种新途径。     

"柱状"金刚石晶体的高温高压合成

利用普通触媒和自行研制的新型触媒A,在国产六面顶压机上分别进行了合成金刚石单晶的实验.研究表明,普通粉末触媒合成出的金刚石单晶呈黄色,晶形完整,晶形是六-八面体,晶体透明度较好,并且合成出晶体的粒度比较集中,大约为0.3 mm.用新型触媒A合成的金刚石单晶呈绿色,并且晶形以长条晶体出现,长度集中在(0.5～0.7)mm.用SEM电镜观察到,前一种晶体晶形完整,表面光滑,后一种晶体表面也比较平整,存在"V"形缺陷.含氮量分析结果表明,用普通粉末触媒合成的金刚石的含氮量较低.     

铁基触媒中铁含量对合成金刚石形貌及氮含量的影响(英文)

利用3种铁基粉末触媒,在国产六面顶压机上进行了金刚石单晶的合成实验,研究了高压高温条件下,铁基粉末触媒随铁含量的改变,石墨碳–铁基触媒体系合成金刚石条件的变化规律以及金刚石单晶的形貌,并利用红外光谱对金刚石中的含氮量进行了检测。结果表明:随着铁基粉末触媒中铁含量的增加,合成金刚石的压力和温度逐渐升高,金刚石生长的"V形区"上移,晶体的透明度变差,所合成晶体的含氮量逐渐减少。     

金属铬对金刚石单晶生长习性影响研究

在高温高压条件下,以Co-Cr为触媒,使用温度梯度法作为金刚石生长驱动力,进行金刚石单晶生长的实验研究。实验室结果表明:随着触媒中金属铬添加量的增加,晶体生长速度明显变慢,当金属触媒中铬的添加量达到3wt.%的时候,生长的晶体内开始产生气泡和包裹物;当金属铬的掺杂量达到6.0wt.%的时候,能明显观察到晶体泛黄绿色;红外测试结果表明,晶体内部的氮浓度呈现出明显的增加趋势,最高浓度达483×10~(-6)。     

高温高压Fe-Ni-C-B系中含硼金刚石单晶合成机理研究(下)

采用现代材料分析测试方法,通过对高温高压Fe-Ni-C-B系合成出的含硼金刚石单晶及其金属包覆膜进行系统分析和表征,探寻含硼金刚石合成机理及生长机制。研究发现,添加在金属触媒中的硼以金属-碳-硼化合物的形式溶入金属包覆膜,作为含硼金刚石生长的直接碳/硼源,经金属中间相的催化,析出活性碳/硼原子(团)扩散至正在生长的金刚石单晶表面,促进金刚石的生长。而含硼金刚石则以一种层状生长的方式长大,这种层状生长的台阶来源前期以二维晶核为主,后期则以位错为主。活性碳/硼原子(团)扩散到达金刚石单晶表面,在生长台阶的前端被吸附,转变成为金刚石单晶的一部分。随着台阶的不断扩展,新的生长台阶在刚长成的晶面上继续形成,含硼金刚石单晶则以层状堆叠的方式完成长大过程。     

物理气相传输法SiC衬底上生长AlN单晶的研究进展

氮化铝(AlN)是直接带隙半导体，具有超宽禁带宽度(6.2 eV)、高热导率[3.2 W/(cm·K)]、高表面声波速率(V_L=10.13×10⁵ cm/s,V_T=6.3×10⁵ cm/s)、高击穿场强和稳定的物理化学性能，是紫外/深紫外发光材料的理想衬底，由此制作的Al_xGa_1–xN材料，还可以实现200～365 nm波段内的连续发光；可以制作耐高压、耐高温、抗辐射和高频的电子器件，是具有巨大潜力的新一代半导体材料。本文介绍了物理气相传输法异质外延生长AlN单晶的原理，并从碳化硅(Si C)衬底上AlN单晶生长研究历程、Al N/SiC衬底生长AlN晶体以及偏晶向SiC衬底生长AlN晶体3个方面综述了SiC衬底上异质外延生长AlN晶体的研究进展。最后简述了SiC衬底上生长AlN单晶面临的挑战和机遇，展望了AlN材料的未来发展前景。     

降温速率对无籽固相法生长铌酸钾钠基单晶结构和性能的影响

采用无籽固相晶体生长法制备了铌酸钾钠基压电单晶,研究了晶体生长降温阶段的冷却速率对该单晶的结构和性能的影响。结果表明:通过优化降温速率有利于单晶的生长,易生长尺寸更大的单晶体;当降温速率较低时,晶体表面更平坦,晶体质量较高;在研究范围内,降温速率的改变对单晶的晶体结构的影响较小;当降温速率为2.0℃/min时,所制备的铌酸钾钠基压电单晶表现出优异的压电性能,其正压电系数d₃₃达510 pC/N,逆压电系数d^*₃₃达1 425 pm/V,同时晶体还具有较低的介电损耗tanδ=0.02,且Curie温度较高T_C=416℃,和剩余极化强度P_r=20μC/cm²。通过优化降温速率采用无籽固相法生长的铌酸钾钠基单晶是一种较有前景的压电铁电单晶材料,具有较大的潜在应用价值。     

碳源扩散不均一性对宝石级金刚石单晶生长的影响

高温高压温度梯度法生长优质宝石级金刚石单晶过程中,晶体生长主要由碳源在触媒中的扩散过程决定.本研究通过有限元对碳源对触媒的扩散过程进行了简单模拟,结果发现,受温度梯度法特定组装结构影响,实际晶体在生长过程中,由高温端扩散下来的碳源在触媒中的分布是相当不均匀的.对晶体生长来说,这种碳源扩散不均一性会直接影响晶体的生长过程.在籽晶粒度超过2mm时,晶体中心部位出现较多包裹体,或者生长表面无法生长愈合.     

金刚石表面气相外延单晶金刚石薄膜新技术

用氢气、丙酮蒸汽为源气体,通过微波增强的化学气相沉积方法,实现了在金刚石表面气相外延生长单晶金刚石薄膜。并通过扫描电镜(SEM)、显微激光喇曼光谱及反射电子衍射(RED)分析,初步完成了对单晶外延金刚石薄膜的品质鉴定。从外延形貌照片中观察到了外延生长台及生长螺线。着重叙述外延生长金刚石薄膜的试验方法及其关键。     

优质毫米级粗颗粒金刚石单晶的高温高压合成

粗颗粒工业金刚石的合成与普通工业金刚石相比,需要较长的生长时间,而且其合成条件相对于普通工业金刚石单晶更为苛刻.文章总结了在具有高精密化控制系统的国产SPD 6×1670T型六面顶压机上进行的优质粗颗粒金刚石单晶的合成研究.在粉末触媒合成金刚石工艺的基础上,提高了压力和温度控制系统的精密化程度,引入了旁热式组装,改良了合成工艺,通过精密地控制金刚石的成核量与生长速度,以及采用最佳粒度的触媒,在高温高压条件下(～5.4GPa,～1360℃)成功合成出尺寸达到1.0mm的(18目)粗颗粒金刚石单晶,并分析了晶体的形貌和表面特征.     

(FeMn)xAl(1-x)-C体系金刚石的高温高压合成

利用FeMn-C体系以及添加剂Al,在国产六面顶压机上分别进行了合成金刚石单晶的实验,研究了在高温高压条件下(5.6～5.8 GPa ,1400℃～1600℃)(FeMn)xAl(1-x) - C (0≤x≤1)体系金刚石生长特性.通过光学成像显微镜、扫描电镜(SEM)和显微红外光谱、穆斯堡尔谱等分别对合成后的金刚石晶体的颜色与形貌,含氮量以及内部杂质进行了测试分析.研究结果表明,(FeMn)xAl(1-x)-C体系可合成晶面完整的八面体金刚石晶体;无Al(x=1) 添加时,合成晶体的生长速度较快,添加Al(x≠1)后,晶体生长速度明显变慢;无Al添加时,体系合成晶体的含氮量较高,而添加Al后,含氮量明显降低;无Al添加时,合成晶体内部的包裹体主要成分是Fe3C和Fe,添加Al以后,合成晶体内包裹体主要成分是FeAl合金.     

人造金刚石晶体的生长速率

文章讨论了影响人造金刚石生长速率的因素,指出生长速率低是生产大颗粒人造金刚石单晶的瓶颈。作者预测：在保证金刚石晶体质量的同时,提高其生长速率的可能性是存在的。     

高速生长CVD金刚石单晶及应用

文章简要地介绍了近年来国内外CVD金刚石单晶的高速生长和应用进展.实验中采用微波等离子体化学气相沉积(CVD)方法,同质外延高速生长金刚石单晶,通过改变反应腔压强、反应气氛(在CH4／H2中引入氮气N2、二氧化碳CO2、氧气O2、)等,调制单晶生长速率、质量、颜色、表面粗糙度、光谱等特性.利用高温氢等离子体进行退火,可使金刚石单晶的颜色有很大的改善.研制了CVD金刚石单晶刀具,用于金属材料的曲面镜面加工.     

高温高压条件下金刚石单晶生长界面Auger电子能谱研究

用Auger电子能谱技术分别进行金刚石单晶生长界面的金属膜表面及附近碳原子的精细Auger谱分析、金刚石单晶附近及其表面的Auger谱精细结构分析。研究结果表明，在高温高压有催化剂参与下金刚石单晶生长是双界面生长，存在两个主界面DM及M—C。高温高压条件下石墨中碳原子经过“过渡层”及“金属催化剂层”才能将碳原子的电子构形从SP^2 π态改变成SP^3态，从而以碳原子的金刚石四面体结构长到金刚石表面，金刚石晶格结构的形成是在金刚石表面层完成的。     

绝缘衬底上化学气相沉积法生长石墨烯材料

利用化学气相沉积法,在Si衬底、蓝宝石衬底和SiC衬底上生长石墨烯材料,研究石墨烯的表面形貌、缺陷、晶体质量和电学特性。原子力显微镜、光学显微镜和拉曼光谱测试表明,Si₃N₄覆盖层可以有效抑制3C-SiC缓冲层的形成;低温生长有利于保持材料表面的平整度,高温生长有利于提高材料的晶体质量。5.08 cm蓝宝石衬底上石墨烯材料,室温下非接触Hall测试迁移超过1000 cm²·V^-1·s^-1,方块电阻不均匀性为2.6%。相对于Si衬底和蓝宝石衬底,SiC衬底上生长石墨烯材料的表面形态学更好,缺陷更低,晶体质量和电学特性更好,迁移率最高为4900 cm²·V^-1·s^-1。