碳酸钙掺杂对Ⅰb型金刚石沿不同晶面生长行为的影响

作为天然金刚石生长环境的碳酸盐,研究其掺杂对人造金刚石晶体生长行为的影响具有重要的学术价值。本文运用高温高压下的温度梯度法,将碳酸钙(CaCO₃)按照不同比例掺杂到金刚石合成腔体内的碳源中,用以研究其掺杂对金刚石分别沿(100)或(111)晶面生长行为的影响。利用光学显微成像对掺杂合成金刚石晶体形貌的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)面生长的金刚石晶形由塔状变为板状且出现了裂晶、连晶现象,晶体颜色先变浅再变黑,内部出现了包裹体;同样,沿(111)面生长的金刚石晶形由板状逐渐变为塔状且出现了裂晶、孪晶现象,晶体颜色逐渐变黑,内部包裹体增多。用激光拉曼光谱对掺杂金刚石晶体质量的表征表明:随着碳酸钙掺量的增加,沿(100)或(111)面生长的掺杂金刚石的拉曼峰位偏移量均增大,半峰全宽均变大。这说明碳酸钙掺杂使得金刚石晶格畸变增加、内应力变大。本文对碳酸钙掺杂影响沿两不同面生长金刚石的晶形、颜色、内部质量等行为的成因进行了分析,为本课题后续研究奠定了基础。     

锌添加对大尺寸硼掺杂金刚石生长的影响

采用高温高压法在NiMnCo体系下,通过添加低熔点金属锌合成出硼掺杂金刚石晶体.探究锌添加剂对硼掺杂金刚石晶体合成条件、形貌、颜色的影响.实验结果表明在NiMnCo体系中,随着锌添加量增加,硼掺杂金刚石的合成压强和温度明显提高,晶体的颜色逐渐变黑;红外吸收光谱显示,随着锌添加量的增加,氮杂质特征吸收峰1130 cm-1和1344 cm-1逐渐消失,氮杂质含量降低至消失;1290 cm-、2460 cm-1、2800 cm-1硼相关吸收峰增强,即硼杂质的含量逐渐增多.在传统NiMnCo触媒体系下,锌的添加有利于硼原子进入金刚石晶格中去,本工作为合成高质量硼掺杂金刚石提供新的思路.     

FeNi、NiMnCo及其复合触媒中Ⅰb型金刚石的生长特性

本文以Ni₇₀Mn₂₅Co₅和Fe₆₄Ni₃₆合金及其复合合金作为触媒,采用高温高压温度梯度法在5.6 GPa压力下,对不同温度下沿(100)晶面生长的Ⅰb型金刚石的生长特性进行了研究,研究表明:以Fe₆₄Ni₃₆触媒合成出的金刚石在以(111)晶面为主的晶形高温生长范围内出现了一段约50 K范围的裂晶生长区,而以Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒合成的金刚石在生长温度范围内,特别是在以(111)晶面为主的晶体生长高温区域内容易出现连晶缺陷;高温下Fe₆₄Ni₃₆触媒过度熔融可能是晶体容易产生裂晶的原因,Ni₇₀Mn₂₅Co₅触媒熔体黏性较低可能是容易形成连晶的原因;采用两种触媒复合的方式有效避免了裂晶和连晶的产生;拉曼光谱表征发现连晶的晶体内部质量与单晶的晶体质量相近,裂晶中晶格畸变和杂质较多,晶体内应力较大,复合触媒体系合成的金刚石晶体内应力小,质量好。     

高温高压氮掺杂金刚石的光致发光研究

本文利用激光共聚焦显微拉曼光谱仪表征了高温高压法合成的氮掺杂金刚石,并分析了该晶体的光致发光特性.结果表明,金刚石晶体内部含氮量比晶体表面高,且由于氮原子尺寸较大,使得晶体内部应力较高,晶化程度弱化;另外,氮掺杂金刚石的光致发光主要以氮-空位(NV)复合缺陷为主;氮含量高的区域,NV缺陷发光增强,且NV-/NV0强度比也增强.这是因为氮作为施主原子,有利于负电荷缺陷即NV-中心的形成;同时氮含量升高,也会使得费米能级向NV-中心的基态靠近,这也造成了NV-/NV0强度比随氮含量增加而增强.     

高温扩散法制备B-S共掺杂单晶金刚石

利用高纯度的硼粉和硫粉，在1 300℃的高温真空环境下，通过扩散装置制备出硼(B)、硫(S)共掺杂单晶金刚石。扫描电子显微镜、X射线能谱、拉曼光谱等测试结果表明，随着两种元素的掺入，金刚石的形貌和晶体质量发生变化。掺杂后的金刚石形貌复杂，蚀坑和沟壑内部形貌呈阶梯状，随着掺杂量的增加出现断层，并在蚀坑处检测出较高的硼原子和硫原子含量，掺杂B-S质量比为0.5的金刚石蚀坑处的硼原子和硫原子含量最高。随着杂质原子的渗入，拉曼半峰全宽值增大，金刚石的晶体质量下降。室温下进行霍尔检测结果表明，掺杂后的金刚石电阻率降低。B-S质量比为1和2的样品导电类型表现为p型；B-S质量比为0.5时，样品的霍尔系数为负值，导电类型为n型。     

Er掺杂MnBi2Te4晶体生长及其微结构研究

MnBi₂Te₄是首次被发现的一种本征磁性拓扑绝缘体，具有重要的研究意义。本文通过在MnBi₂Te₄晶体中进行稀土元素掺杂，合成了Er掺杂MnBi₂Te₄晶体，Er原子进入晶格并取代Mn位。在晶体制备过程中，考虑到目前晶体制备工艺周期较长，生成物存在Bi₂Te₃助熔剂等杂质的问题，对晶体制备工艺进行了优化探索。XRD测试结果表明，利用改进工艺制备的Er掺杂MnBi₂Te₄晶体结晶性能良好，不含杂质相。磁电输运测量结果显示，少量Er掺杂MnBi₂Te₄晶体的磁性增强，掺杂样品在25.2 K发生反铁磁相变。使用原子力显微镜对Er掺杂MnBi₂Te₄晶体层间距进行了研究，发现层间距为单层MnBi₂Te₄的整数倍。通过拉曼测试研究了Er掺杂MnBi...     

硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,探究了化学气相沉积硼掺杂和氮掺杂金刚石的吸附生长过程:建立了一端为氢终止表面的金刚石基底模型以及单个氮取代或单个硼取代的掺杂金刚石基底模型,并计算这些模型的最优稳定结构;研究了不同碳氢基团(C、CH、CH2、CH3)、硼氢基团(B、BH、BH2)和氮氢基团(N、NH、NH2)在有活性位点的不同基底上的吸附过程和吸附难易程度.对比计算结果表明:硼原子和氮原子能通过原位取代的方式掺杂进入金刚石晶格中,并且带有两个氢的基团(BH2、NH2)是最有利的掺杂基团;氮原子通过取代进入金刚石晶格中后,难以形成氮二聚体,不能大量掺杂,而硼原子较易形成硼二聚体,可以实现大量掺杂.     

高温高压下高氮浓度金刚石大单晶的合成与研究

高温高压条件下,通过在Fe64Ni36-C合成体系中添加含氮化合物Ba(N3)2和羰基镍粉(carbonyl nickel)两种方式分别合成了高氮浓度金刚石大单晶.使用傅立叶红外光谱测试(FTIR)分别对所合成的金刚石大单晶进行了测试.对金刚石大单晶样品中氮的存在形式行了分析,并对晶体中的氮浓度进行了定量计算,进而对高氮浓度金刚石大单晶中A心氮原子对的形成机理进行了讨论.     

Ho3+掺杂对六角YMn0.8Fe0.2O3微结构和磁性质的调控

本文利用高温固相反应法合成了六角Y_1-xHo_xMn_0.8Fe_0.2O₃多晶样品,研究Ho³⁺掺杂对YMn_0.8Fe_0.2O₃微结构以及磁性质的影响。X射线衍射和拉曼测量结果显示所有样品均为单相六角结构,当Ho³⁺掺杂浓度低于0.15时,晶格常数a、c,晶胞体积及Mn—O键长均随着掺杂浓度的增加而减小。A位稀土原子位移差以及拉曼声子模式的变化表明随着Ho³⁺掺杂比例增加,A位稀土原子相对于平面的偏移减小,MnO₅双锥体倾斜角减小,B位Mn³⁺的三聚作用被削弱,Mn³⁺—O^2-—Mn³⁺间超交换作用减弱,反铁磁(AFM)序被抑制,反铁磁转变温度下降。磁性测量显示低温下Y_0.9Ho_0.1Mn_0.8Fe_0.2O₃的磁化强度显著增强,弱铁磁(WFM)序增加,归因于Ho³⁺加入后系统磁阻挫行为的降低及Ho³⁺—O^2-—Mn³⁺间自旋交换作用产生的铁磁序。这为进一步探索室温多铁性材料提供了思路。     

快速合成立方六面体金刚石大单晶晶体的质量研究

利用高温高压温度梯度法,在优质六面体金刚石大单晶稳定生长的基础上,合理调整晶床高度为5 rmm,在1300～1350℃温度区域30h合成优质六面体晶体重量达2.04克拉,生长速度高达13.6 mg/h.三种晶体样品(本实验合成晶体,日本住友公司合成晶体,元素六公司合成晶体)经显微红外吸收(IR)测试,本实验合成晶体{100}晶面的平均氮含量为240 ppm,高于日本住友和元素六晶体样品的氮含量;三种晶体样品经激光拉曼测试,均在1332 cm-1左右出现了较强的金刚石拉曼标准峰,利用高斯模拟计算出本实验合成晶体拉曼峰的半高宽值为5.570cm-1,大于日本住友晶体样品而小于元素六合成的晶体样品;对三种晶体样品的生长速度、氮含量分布和晶格结晶程度分析,由于本实验合成六面体晶体的生长速度远大于二者,使晶体的晶格结晶程度稍差于日本住友样品而优于元素六晶体,结合激光拉曼图谱分析本实验合成的六面体晶体中有少量杂质存在,或许这些杂质的存在正是导致其{100}晶面氮含量高于日本住友样品氮含量的主要原因.     

高温高压与CVD金刚石单晶衬底质量对比研究

本文通过高分辨X射线衍射(HRXRD)、激光拉曼光谱(Raman)、晶格畸变检测等测试分析方法对多组高温高压(HTHP) Ⅰb、HTHP Ⅱa和化学气相沉积(CVD)型(100)面金刚石单晶样品进行对比研究。HRXRD和Raman的检测结果均表明HTHP Ⅱa型金刚石单晶的结晶质量接近天然金刚石,其XRD摇摆曲线半峰全宽和Raman半峰全宽分别为0.015°~0.018° 和1.45~1.85 cm^-1。晶格畸变检测仪的检测结果表明,HTHP Ⅱa型金刚石单晶的应力分布主要有两种:一种几乎无明显应力分布,另一种沿<110>方向呈对称的放射状分布,其他区域无晶格畸变。HTHP Ⅰb和CVD型金刚石单晶应力分布均相对分散,晶格畸变复杂,与其HRXRD和Raman的检测结果相符。进一步利用等离子体刻蚀法对三种类型金刚石单晶(100)面位错缺陷进行对比分析,结果表明,HTHP Ⅱa型金刚石位错密度为三者中最低,仅为1×10³ cm^-2。本研究为制备高质量大尺寸CVD金刚石单晶的衬底选择提供了实验依据。     

Preparation and characterization of Ni-incorporated FeS2 single crystals

Nickel-incorporated FeS₂ single crystals with various Ni compositions of Fe_0.99S₂:Ni_0.01, Fe_0.98S₂:Ni_0.02, Fe_0.96S₂:Ni_0.04, and Fe_0.9S₂:Ni_0.1 were grown by chemical vapor transport (CVT) method using ICl₃ as a transport agent. Physical properties of the Ni-incorporated FeS₂ single crystals were characterized using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, electrical conductivity, and photoconductivity (PC) measurements. By means of the analyses of the X-ray diffraction patterns, the whole series of Ni-doped FeS₂ single crystals were determined to be single-phase and isostructural. Raman spectroscopy of the Ni-doped FeS₂ crystals was carried out at room temperature. Raman resonant peaks of the Ni-doped FeS₂ crystals demonstrate an energy red-shift behavior with respect to the increase of the dopant densities. Conductivity measurements show the resistivity of the Ni-doped FeS₂ decreased as the doping concentration of Ni is increased. Nickel is an n-type dopant, which behaves like a donor level existed near the conduction band edge of the synthetic FeS₂. On the other hand, dopant effect of nickel on the synthetic FeS₂ also destroys the photoconductive sensitivity in the photoconductivity measurements.     

氮掺杂对氢终端金刚石射频器件特性的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,通过改变气源中的氮含量,得到不同结晶质量的单晶金刚石,通过激光切割以及抛光控制样品尺寸为5 mm×5 mm×0.5 mm,然后对样品进行表面氢化处理并研制了金刚石射频器件,系统研究了氮含量对金刚石材料晶体质量和金刚石射频器件性能的影响。随着氮含量的增加,虽然单晶金刚石生长速率有所增加,但是其拉曼半峰全宽(FWHM)、XRD摇摆曲线半峰全宽也逐渐增加,光致发光光谱中对应的NV缺陷逐渐增多,晶体结晶质量逐渐变差,不仅导致沟道载流子的迁移率出现退化,而且也使金刚石射频器件出现了严重的电流崩塌和性能退化问题。通过降低氮浓度,提升材料的结晶质量,沟道载流子迁移率得到显著提升,金刚石射频器件的电流崩塌得到有效抑制,电流增益截止频率f_T和功率增益截止频率f_max分别从17 GHz和22 GHz大幅度提升至32 GHz和53 GHz。     

对三联苯有机晶体的生长及性能

对三联苯是一种常见的有机闪烁剂,通常用作闪烁计数器的发光材料。对三联苯闪烁晶体具有对中子探测效率高以及不易潮解等特性,这使其在实际应用中具有广阔的前景。本文采用坩埚下降法,使用单层安瓿成功生长出φ12 mm×30 mm对三联苯晶体。在生长开始前通过差热分析,确定晶体的生长温度。生长完成后测试了晶体粉末的X射线衍射谱、摇摆曲线、红外光谱、荧光光谱和拉曼光谱。X射线衍射结果表明,生长的晶体为纯对三联苯相。从摇摆曲线结果可以看出,生长晶体质量良好。红外和拉曼分析结果显示,峰位并没有出现明显的偏移,表明晶体中杂质含量较少并未引起晶体分子化学结构的变化。荧光光谱没有杂质峰的出现也说明对三联苯晶体存在较少杂质或晶格缺陷。     

二氧化碳对同质外延生长单晶金刚石内应力的影响

本文研究了在反应气体中引入不同浓度的CO₂对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法同质外延生长单晶金刚石内应力的影响，并对其作用机理进行了分析。研究发现，随着CO₂浓度增加，单晶金刚石内应力逐渐减小，这是由于添加的CO₂提供了含氧基团，可以有效刻蚀金刚石生长过程中的非金刚石碳，并能够降低金刚石中杂质的含量，从而避免晶格畸变，减少生长缺陷，并最终表现为单晶金刚石内应力的减小，其中金刚石内应力以压应力的形式呈现。此外反应气体中加入CO₂可以降低单晶金刚石的生长速率和沉积温度，且在合适的碳氢氧原子比(5∶112∶4)下能够得到杂质少、结晶度高的单晶金刚石。     

衬底用单晶金刚石晶格随温度变化的研究

本文对CVD(Chemical Vapour Deposition, CVD)外延生长中作为衬底的高温高压(HTHP)单晶金刚石进行拉曼光谱测试,利用谱峰半高宽(FWHM)判断了衬底的结晶质量。开展了升温(室温~1 000 ℃)和降温(1 000 ℃~室温)过程中衬底晶格变化的X射线原位测量研究。实验表明:衬底的晶格常数随温度变化而变化,在1 000 ℃时因晶格变化而产生的应力大小为GPa量级。晶格常数在降温过程要比升温过程的数值大,线膨胀系数的计算结果也发现了相同的现象。根据傅里叶红外光谱仪(FT-IR)测试结果推断:造成上述变温过程中晶格变化差异的原因在于样品中氮浓度的不同,其中氮浓度越高,拉曼光谱的半高宽越大,衬底的晶格常数变化越大,线膨胀系数越大。     

Analysis of synthetic diamond single crystals by X-ray topography and double-crystal diffractometry

Structural features of diamond single crystals synthesized under high pressure and homoepitaxial films grown by chemical vapor deposition (CVD) have been analyzed by double-crystal X-ray diffractometry and topography. The conditions of a diffraction analysis of diamond crystals using Ge monochromators have been optimized. The main structural defects (dislocations, stacking faults, growth striations, second-phase inclusions, etc.) formed during crystal growth have been revealed. The nitrogen concentration in high-pressure/high-temperature (HPHT) diamond substrates is estimated based on X-ray diffraction data. The formation of dislocation bundles at the film-substrate interface in the epitaxial structures has been revealed by plane-wave topography; these dislocations are likely due to the relaxation of elastic macroscopic stresses caused by the lattice mismatch between the substrate and film. The critical thicknesses of plastic relaxation onset in CVD diamond films are calculated. The experimental techniques for studying the real diamond structure in optimizing crystal-growth technology are proven to be highly efficient.     

高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。