离子注入诱导硅材料发光的研究进展

阐述了采用离子注入技术在硅晶体(Si)中形成缺陷的发光机制,综述了离子注入诱导硅材料发光的研究进展,包括稀土离子掺入硅晶体形成稀土杂质中心发光,Ⅳ族元素C、Ge离子注入Si/SiO2形成等离子缺陷中心发光,以及B、S、P等常规离子注入硅晶体的缺陷发光,其中重点介绍了Si离子自注入诱导硅材料发光的研究现状,最后展望了硅基材料发光的未来发展。     

坩埚下降法生长大尺寸Bi12GeO20晶体的宏观缺陷

Bi₁₂GeO₂₀晶体是一种多功能光电材料,在可见光范围内具有高速光折变响应,以及良好的压电、声光、磁光,旋光和电光等性能。目前,提拉法生长Bi₁₂GeO₂₀晶体,存在生长成本高、晶锭形状不规则、生长产率低、晶体光学质量差和有效晶体截面小等问题。本研究率先采用改进的坩埚下降法,在铂金坩埚和空气气氛中生长大尺寸Bi₁₂GeO₂₀晶体。通过各种分析测试方法研究生长获得的Bi₁₂GeO₂₀晶体中宏观缺陷的形态、分布和成分构成,探讨了晶体生长过程中主要宏观缺陷的形成过程和成因。坩埚下降法生长的Bi₁₂GeO₂₀晶体存在两种主要宏观缺陷：枝蔓状和管状包裹体。其中,枝蔓状包裹体与铂金溶蚀后的析晶相关,而管状包裹体与铂金析出、接种界面不稳定性和温度波动有关。本研究提出了消除坩埚下降法生长晶体中宏观缺陷的技术途径,通过降低生长控制温度、缩短高温熔体保持时间和优选籽晶等措施,可重复地生长...     

氟化钙晶体的生长与缺陷研究

采用真空坩埚下降法在石墨坩埚中生长了大尺寸CaF2晶体.通过高温氟化获得无水高纯原料,自发成核发育籽晶,以＜2mm/h的生长速率,成功生长了直径170mm的CaF2晶体.研究了晶体的顶部析晶形貌、包裹体、解理等生长缺陷.     

CdSiP2晶体中光散射颗粒的研究

采用单温区法合成了CdSiP₂ (CSP)多晶原料, 然后采用垂直布里奇曼法生长了大尺寸的CSP单晶。采用扫描电子显微镜、EDS对晶体中光散射颗粒的尺寸、形貌和成分进行了观察和检测。测试结果表明, 所生长的CSP晶体中的光散射颗粒呈近椭圆形, 尺寸为2~8 μm, 主要成分为Si, 含量占88%以上。对CSP多晶合成的反应机理研究表明, 此第二相颗粒是由于合成时多晶料中残留有少量未反应的Si单质所致。通过合成工艺的改进, 有效地减少了晶体中Si散射颗粒的残留, 制备出了高透明性的CSP单晶体。     

热丝CVD生长SiCN薄膜的研究

在HFCVD系统中采用SiH₄/CH₄/H₂/N₂混合气体成功的制备了SiCN薄膜.SEM照片显示制备的SiCN薄膜由棒状结构构成,而在HRTEM下发现这些棒状结构是由生长在无定型SiCN基体当中的纳米晶粒组成的.进一步的SAED和XRD分析说明SiCN纳米晶粒具有类似于α-Si₃N₄的结构.XPS和FTIR分析表明薄膜中含有Si、C、N和O几种元素以及C=N、Si-N和C-N等共价键,但是并没有观察到C-Si的存在.由实验得出结论,SiCN晶体的生长包括两个步骤:α-Si₃N₄团簇的生长和C取代其中Si的过程.     

Si_3N_4/Si表面Ge生长过程的STM研究

利用STM和LEED分析了Ge在Si3 N4 /Si(111)和Si3 N4 /Si(10 0 )表面生长过程的结构演变。在生长早期 ,Ge在两种衬底表面上都形成高密度的三维纳米团簇 ,这些团簇的大小均在几个纳米范围内 ,并在高温退火时体积增大。当生长继续时 ,Ge的晶体小面开始显现。在晶态的Si3 N4 (0 0 0 1) /Si(111)表面 ,Ge的 (111)晶向的小面生长比其他方向优先。最后在大范围内形成以 (111)方向为主的晶面。相反 ,在非晶的Si3 N4 表面 ,即Si3 N4 /Si(10 0 ) ,Ge晶体的高指数侧面生长较顶面快 ,最终形成金字塔形的岛结构。对这样的表面生长过程进行了探讨并给出了合理的物理解释     

4H-SiC晶体中的层错研究

采用物理气相传输法(PVT法)在4英寸(1英寸=25.4 mm)偏<11¯20>方向4°的4H-SiC籽晶的C面生长4H-SiC晶体。用熔融氢氧化钾腐蚀4H-SiC晶体, 并利用光学显微镜研究了晶体中的堆垛层错缺陷的形貌特征和生长过程中氮掺杂对4H-SiC晶体中堆垛层错缺陷的影响。结果显示, 4H-SiC晶片表面的基平面位错缺陷的连线对应于晶体中的堆垛层错, 并且该连线的方向平行于<1¯100>方向。相对于非故意氮掺杂生长的4H-SiC晶体, 氮掺杂生长的4H-SiC晶体中堆垛层错显著偏多。然而, 在氮掺杂生长的4H-SiC晶体的小面区域, 虽然氮浓度高于其他非小面区域, 但是该小面区域并没有堆垛层错缺陷存在, 推测这主要是由于4H-SiC晶体小面区域特有的晶体生长习性导致的。     

掺Si对热压合成Ti2AlC/Ti3AlC2的影响及理论分析

采用热压工艺以Ti、Al、Si元素粉和活性炭为原料,分别以2.0Ti/1.1Al/1.0C(摩尔比)及以0.1和0.2mol的Si取代Al,合成了Ti2AlC/Ti3AlC2块体材料.通过建立Ti2AlC、Ti3AlC2和掺Si的计算模型,计算了平均原子净电荷和平均共价键键级.结果表明:以元素粉2.0Ti/1.1Al/1.0C为原料在1450℃热压60min合成只含有非常少量Ti3AlC2的Ti2AlC材料;当Si取代Al达到0.2mol时,作用非常明显,表现为使同一温度下Ti3AlC2含量增加而Ti2AlC含量减少.另外,应用掺Si后对原子净电荷和共价键键级的影响解释了实验结果.     

红土镍矿真空碳热还原过程中硅的挥发行为

为了解红土镍矿在真空碳热还原过程中SiO2的还原特性和还原过程的主要影响因素,在系统压力2～200 Pa下,以分析纯的SiO2、Fe2O3以及煤炭为原料,在热力学分析的基础上,采用X射线衍射、扫描电子显微镜-能量散射谱和化学成分分析等手段,研究了Fe/Si摩尔比、配碳量对SiO2还原过程、硅的挥发率和还原反应速率的影响。通过热力学计算,得出Fe,Si氧化物被碳还原的化学反应自由能和还原反应临界温度,表明在100 Pa条件下SiO2的临界反应温度降低了477～584 K。实验结果表明:Fe/Si摩尔比的增大和配碳量的增加,均降低了Si的挥发率,提高了SiO2还原反应速率;SiO2发生了气化反应生成了SiO气体并在石墨冷凝系统歧化生成Si和SiO2,且有部分SiO气体与石墨或者CO反应生成SiC;反应残渣中的石英颗粒被Fe-Si合金和SiC包围,结合紧密。     

KDP/KD*P晶体生长过程中柱面扩展的研究

目前在KDP/KD*P晶体的实际生长过程中,仍以传统降温法为主.在传统降温速度的基础上适当提高降温速度,可以加快KDP/KD*P晶体的生长速度,但与此同时有可能产生柱面扩展.为此,我们对不同生长环境下的KDP/KD*P晶体生长过程中柱面扩展进行了一系列研究.实验中所用KDP原料和去离子水均与生长大口径KDP晶体相同,其它各项条件也尽量模拟大口径KDP晶体生长过程中的实际情况.在晶体生长实验过程中通过研究不同条件下KDP/KD*P晶体的柱面扩展情况来研究柱面扩展对KDP/KD*P晶体光学质量影响的共同特点.通过分析和研究实验数据及晶体生长过程,我们认为在正常生长条件下引起柱面扩展的主要因素有两个溶液的过饱和度和籽晶柱面存在的缺陷.扩展部分的晶体的光学质量与本体部分差别较大,扩展部分对光的透过率在紫外部分下降很快,明显低于本体部分在这一波段的透过率.本体部分和扩展部分对光的透过率在其它波段差别不十分突出.     

Selective growth of β-SiC whisker on a patterned Si (111) substrate for a field emission device

β-SiC whiskers were grown via a vapor-solid (VS) reaction on two types of substrates; bare Si (111) and SiO₂-coated Si (111). Different growth behaviors of β-SiC whiskers were observed for each substrate. β-SiC whiskers grew only on the bare Si substrate, not on the SiO₂-coated Si surface. Therefore, β-SiC whiskers could be selectively grown along the patterns on the SiO₂-coated Si substrate. The turn-on field and the maximum current density of the specimens using selectively grown whiskers along the patterns on the SiO₂-coated Si substrate were 2.0 V/μm and 1.01 mA/cm², respectively. The converted curve of I-V characteristics of β-SiC whiskers by the Fowler-Nordheim equation maintained a linear slope.     

硅基β-SiC薄膜外延生长的温度依赖关系研究

采用常压化学气相淀积（ＡＰＣＶＤ）工艺在１０００～１４００℃温度范围内的（１００）Ｓｉ衬底上进行了β－ＳｉＣ薄膜的异质外延生长．实验结果表明,随着淀积温度的升高,外延层由多晶硅向β－ＳｉＣ单晶转变,结晶情况变好;但同时单晶生长速率却反而有所下降．     

Synthesis of High Purity SiC Powder for High-resistivity SiC Single Crystals Growth

High purity silicon carbide （SIC） powder was synthesized in-situ by chemical reaction between silicon and carbon powder. In order to ensure that the impurity concentration of the resulting SiC powder is suitable for high-resistivity SiC single crystal growth, the preparation technology of SiC powder is different from that of SiC ceramic. The influence of the shape and size of carbon particles on the morphology and phase composition of the obtained SiC powder were discussed. The phase composition and morphology of the products were investigated by X-ray diffraction, Raman microspectroscopy and scanning electron microscopy. The results show that the composition of resulting SiC by in-situ synthesis from Si/C mixture strongly depends on the nature of the carbon source, which corresponds to the particle size and shape, as well as the preparation temperature. In the experimental conditions, flake graphite is more suitable for the synthesis of SiC powder than activated carbon because of its relatively smaller particle size and flake shape, which make the conversion more complete. The major phase composition of the full conversion products is β-SiC, with traces of α-SiC. Glow discharge mass spectroscopy measurements indicated that SiC powder synthesized with this chemical reaction method can meet the purity demand for the growth of high-resistivity SiC single crystals.     

无限微热源法合成β-SiC粉体

采用无限微热源法从原料、原料级配、供电功率和供电时间对合成β-SiC微粉产品的产率和品率的影响进行了探讨,并对合成β-SiC微粉产品进行了粒度测试和XRD分析。研究表明,无烟煤和石墨作碳源合成所得β-SiC微粉品率和产率比石油焦和石墨作碳源高,且晶相生成比较完整;原料粒度越细,产物粒度越细;合理控制给电功率和足够的保温时间是合成的关键;产物产率达25.63%,一级品率达77.63%,一级和二级总品率达98%。     

Low-temperature, direct synthesis of β-SiC by metal vapor vacuum arc ion source implantation

Crystalline β-SiC surface layers with strong (111) preferred orientation were synthesized by direct ion implantation into Si(111) substrates at a low temperature of 400°C using a metal vapor vacuum arc ion source. Both X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy reveal an augment in the amount of β-SiC with increasing implantation doses at 400°C. Scanning electron microscopy shows the formation of an almost continuous SiC surface layer after implantation at 400°C with a dose of 7×10¹⁷/cm². The full width at half maximum of the X-ray rocking curve of β-SiC(111) was measured to be 1.4° for the sample implanted at a dose of 2×10¹⁷/cm² at 700°C, revealing a good alignment of β-SiC with the Si matrix.     

化学气相沉积SiC涂层生长过程分析

以高纯石墨为沉积基体,MTS为先驱体原料,在负压条件下沉积了CVD SiC涂 层.利用SEM和XRD分别对涂层的形貌及晶体结构进行了表征,SiC涂层表面呈菱柱状, (111)面为择优取向面.利用高分辨透射电镜对涂层与基体的界面结构、涂层的显微结构进行 了研究,得出CVD SiC涂层生长过程如下:SiC最初是沿着石墨基体的晶面取向开始生长 的}随后经历一段取向淘汰及调整的过程后,开始(111)晶面的生长.     

SiC nanowires grown on activated carbon in a polymer pyrolysis route

β-SiC nanowires are a novel type of photocatalysts. However, they tend to be entangled together especially at high concentrations when dispersed in water, which may reduce the photocatalytic activity. It is reasonable to expect that β-SiC nanowires would provide better photocatalytic activity if they are grown on activated carbon. In the letter we report the successful synthesis of quantities of β-SiC nanowires grown on the surfaces of the activated carbon by pyrolysis of polycarbosilane at 1300 °C. The nanowires, with the diameters of 50–100 nm and the length of tens of micrometers, are composed of single crystal β-SiC along the 〈1 1 1〉 direction. Both the VLS and the VS mechanisms were employed to interpret the nanowires growth.     

高能微波辐照条件下SiC晶粒的生长过程分析

利用高能真空微波辐照, 仅以SiO₂和人造石墨粉为原料, 便捷快速地合成得到结晶良好的β-SiC晶粒。在利用各种表征手段综合分析SiC晶粒微观结构的基础上, 确认高能微波辐照条件下, β-SiC晶粒的生长过程符合“光滑界面的二维形核生长”机制。借助于电子背散射衍射技术(EBSD)进行的原位解析发现, 生长最快的{211}面在晶粒长大过程中逐渐被超覆, 通过形成{421}过渡晶面而最终演变为{220}晶面, 并成为晶粒的侧面; 而生长最慢的{111}面则成为最后保留下来的六角形规则晶面。EBSD的解析结果为SiC晶粒生长过程中晶面演变提供了直接的实验证据。     

Comparison of graphene films grown on 6H-SiC and 4H-SiC substrates

Abstract

Atomic force microscopy, Kelvin-probe microscopy and Raman spectroscopy have been used to examine graphene films grown by thermal decomposition of the Si face of semi-insulating substrates of 6H-SiC and 4H-SiC polytypes in the atmosphere of argon. It was demonstrated that the quality of graphene grown on substrates of various polytypes at identical technological growth regimes is about the same. A conclusion was made that the differences in crystal structure between 6H-SiC and 4H-SiC does not lead to significant dissimilarities in the mechanism of sublimation of silicon carbide components from the surface of a crystal and in that of graphene crystallization.     

PECVD下基底温度对SiC薄膜形态、成分及生长速度的影响

在单晶Si和多晶Cu基底表面上使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积了SiC薄膜. 通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)及扫描电子显微镜(SEM)研究基底温度对SiC薄膜成分、结构及生长速度的影响规律。结果表明: 在60~500℃基底温度下制备的SiC薄膜均为非晶态薄膜, 薄膜的生长速度随基底温度的升高而线性降低, 并且在相同沉积条件下, 薄膜在Si基底上的生长速度要高于Cu基底。此外, 薄膜中的硅碳原子比随基底温度的升高而降低, 当基底温度控制在350℃左右时, 可以获得硅碳比为1:1较理想的SiC薄膜。