退火时间对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和电化学性能的影响

采用高分辨透射电镜、紫外和可见光Raman光谱及循环伏安法研究了1000 ℃下退火不同时间的硼掺杂纳米金刚石薄膜的微结构和电化学性能. 结果表明,随退火时间的延长,薄膜中纳米金刚石晶粒尺寸逐渐减小.当退火时间为0.5 h时, 金刚石晶粒尺寸由未退火样品的约15 nm减小为约8 nm, 金刚石相含量增加;当退火时间为2.0 h时,金刚石晶粒减小为2—3 nm, 此时晶界增多,金刚石相含量减少;退火时间为2.5 h时纳米金刚石晶粒尺寸和金刚石相含量又略有上升.晶粒尺寸和金刚石相含量的变化表明薄膜在退火过程中发生了金刚石和非晶碳相的相互转变.可见光Raman光谱测试结果表明,不同退火时间下, G峰位置变化趋势与I_D/I_G值变化一致,说明薄膜内sp²碳团簇较大时, 非晶石墨相的有序化程度较高.退火0.5, 1.0, 1.5和2.0 h时, 电极表面进行准可逆电化学反应,而未退火和退火时间为2.5 h时电极表面进行不可逆电化学反应.退火有利于提高薄膜电极的传质效率, 退火0.5 h时薄膜电极的传质效率最高,催化氧化性能最好.较小的晶粒尺寸、 较高的金刚石相含量以及纳米金刚石晶粒的均匀分布有利于提高电极表面反应的可逆性和催化氧化性能.     

退火温度对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和p型导电性能的影响

采用热丝化学气相沉积法制备硼掺杂纳米金刚石 (BDND) 薄膜, 并对薄膜进行真空退火处理, 系统研究退火温度对BDND薄膜微结构和电学性能的影响. Hall效应测试结果表明掺B浓度为5000 ppm (NHB) 的样品的电阻率较掺B浓度为500 ppm (NLB) 的样品的低, 载流子浓度高, Hall迁移率下降. 1000 ℃退火后, NLB和NHB 样品的迁移率分别为53.3和39.3 cm²·V^-1·s^-1, 薄膜的迁移率较未退火样品提高, 电阻率降低. 高分辨透射电镜、紫外和可见光拉曼光谱测试结果表明, NLB样品的金刚石相含量较NHB样品高, 高的硼掺杂浓度使薄膜中的金刚石晶粒产生较大的晶格畸变. 经1000 ℃退火后, NLB和NHB薄膜中纳米金刚石相含量较未退火时增大, 说明薄膜中部分非晶碳转变为金刚石相, 为晶界上B扩散到纳米金刚石晶粒中提供了机会, 使得纳米金刚石晶粒中B浓度提高, 增强纳米金刚石晶粒的导电能力, 提高薄膜电学性能. 1000 ℃退火能够恢复纳米金刚石晶粒的晶格完整性, 减小由掺杂引起的内应力, 从而提高薄膜的电学性能. 可见光Raman光谱测试结果表明, 1000℃退火后, Raman谱图中反式聚乙炔 (TPA) 的1140 cm^-1峰消失, 此时薄膜电学性能较好, 说明TPA减少有利于提高薄膜的电学性能. 退火后金刚石相含量的增大、金刚石晶粒的完整性提高及TPA含量的大量减少有利于提高薄膜的电学性能. 关键词： 硼掺杂纳米金刚石薄膜 退火 微结构 电学性能     

氧离子注入纳米金刚石薄膜的微结构和电化学性能研究

在纳米金刚石薄膜中注入剂量为1012cm-2的氧离子,并进行700,800,900和1000?C的真空退火处理,系统研究薄膜的微结构和电化学性能结果表明,氧离子注入未退火(O120)和氧离子注入1000?C退火(O121000)电极的电势窗口分别为4.60 V和3.61 V,远大于其他电极的电势窗口,并且这两个样品的电极传质效率较高,说明氧离子注入和高温退火有利于提高电极的传质效率.红外光谱测试表明,样品O120和O121000的表面没有碳氢基团终止层,而其他样品均含有氢终止层,说明氧离子注入和高温退火破坏了薄膜表面含碳氢基团的氢终止层,提高了薄膜的电化学性能Raman光谱测试结果表明,金刚石含量较高、内应力较小和非晶石墨相无序化程度较大的样品具有较好的电化学性能;并且薄膜晶界处的非晶碳的团簇数量或者尺寸减小,样品的电化学性能提高.     

电化学方法制备ZnO纳米颗粒掺杂类金刚石薄膜及其场发射性能研究

采用液相电化学沉积技术制备了ZnO纳米颗粒掺杂的类金刚石(DLC)薄膜, 研究了ZnO纳米颗粒掺杂对DLC薄膜场发射性能的影响. 利用X射线光电子能谱、透射电子显微镜、Raman光谱以及原子力显微镜分别对薄膜的化学组成、 微观结构和表面形貌进行了表征. 结果表明: 薄膜中的ZnO纳米颗粒具有纤锌矿结构, 其含量随着电解液中Zn源的增加而增加. ZnO纳米颗粒掺杂增强了DLC薄膜的石墨化和表面粗糙度. 场发射测试表明, ZnO纳米颗粒掺杂能提高DLC薄膜的场发射性能, 其中Zn与Zn+C的原子比为10.3%的样品在外加电场强度为20.7 V/μm时电流密度达到了1 mA/cm². 薄膜场发射性能的提高归因于ZnO掺杂引起的表面粗糙度和DLC薄膜石墨化程度的增加.     

掺杂CVD金刚石薄膜的应力分析

在不同实验条件下，用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在Si基体上制备了S掺杂和B-S共掺杂CVD金刚石薄膜，利用X射线衍射仪和拉曼光谱仪研究掺杂对CVD金刚石薄膜的应力影响.研究结果发现，随着S掺杂浓度的增加，薄膜中sp²杂化碳含量和缺陷增多，CVD金刚石薄膜压应力增加；小尺寸的B原子与大尺寸的S原子共掺杂时，微量B的加入改变了CVD金刚石薄膜的应力状态，共掺杂形成B-S复合体进入金刚石晶体后降低金刚石晶体的晶格畸变程度，减少S原子在晶界上偏聚数量和晶体中非金刚石结构相含量，降低由于杂质、缺陷及sp²杂化碳含量产生的晶格畸变和薄膜压应力，提高晶格完整性. 关键词： 金刚石薄膜 掺杂 应力     

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. 关键词： 纳米金刚石薄膜 n型 磷离子注入     

退火温度对Cr掺杂ZnO薄膜的微结构与机械性能的影响研究

本研究利用射频磁控溅镀法在玻璃基板上制备3 at.%的Cr掺杂ZnO薄膜,再以300℃～500℃温度退火处理25 mins,并探讨了退火温度对Al掺杂ZnO薄膜的微观结构与机械性能的影响.微观结构分析结果表明Cr掺杂ZnO薄膜的结晶方向为(002),且沿(002)方向的成长随退火温度升高而越加明显,但薄膜的表面却随退火温度升高而变得越来越粗糙.机械性能分析结果揭示晶粒尺寸随退火温度升高而增大,导致差排原子的动能随之降低,致使Cr掺杂ZnO薄膜的硬度随退火温度升高而增大,但对其对杨氏模量却没有太大的影响;此外,Cr掺杂ZnO薄膜的耐磨性与韧性均随退火温度升高而增强,表明退火处理对该薄膜的抗塑性形变能力有很大帮助.     

B掺杂对Ti薄膜结构与性能的影响

采用双靶共溅射方法制备了微量B掺杂的Ti薄膜样品, 利用X射线光电子能谱、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对样品的掺杂原子浓度、 表面形貌、晶型结构、晶粒尺寸和应力进行了分析表征. 研究表明: 掺杂后的Ti薄膜晶粒得到明显细化, 并随着掺杂浓度的增大, 薄膜的晶粒尺寸呈减小趋势, 当掺杂浓度为5.50 at%时, Ti薄膜晶粒尺寸减小为1.3 nm, 呈现出致密的柱状结构. B掺杂后的Ti薄膜应力由压应力转变为张应力.     

液相电化学法制备类金刚石薄膜及其摩擦性能研究

采用自行设计的液相法沉积装置,以甲醇有机溶剂作为碳源,利用液相电化学沉积技术在不锈钢及Si基底上制备了类金刚石薄膜;用扫描电镜、Raman光谱仪表征了沉积薄膜的表面形貌和结构;用UMT-2M摩擦磨损试验机对两种沉积薄膜进行了摩擦性能测试。结果表明:经电化学沉积的类金刚石薄膜均匀、致密,表面粗糙度小;Raman光谱在1 332cm-1处有强的谱峰,与金刚石的特征峰相吻合,其中不锈钢基底上薄膜的sp3含量更高;不锈钢基底沉积膜的摩擦系数为0.12,Si片基底沉积膜的摩擦系数为0.10;不锈钢基底沉积膜的耐磨性较Si片沉积膜高。     

沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响

采用中频磁控溅射Ti80Si20复合靶在单晶硅表面制备了共掺杂的类金刚石薄膜.研究了沉积温度对薄膜生长速率、化学成分、结构、表面性质和力学性能的影响.结果表明:随沉积温度升高,薄膜生长速率降低,薄膜Ti和Si原子浓度增加,C原子浓度降低;在高温下沉积的薄膜具有低sp3C含量、低表面接触角、低内应力和高的硬度与弹性模量.基于亚表层注入生长模型分析了沉积温度对薄膜生长和键合结构的影响,从薄膜生长机制和微观结构解释了表面性质和力学性能的变化.     

Microstructure and friction behaviour in nanocrystalline diamond films

In this study, friction behaviour of as-deposited and N⁺ ion-implanted nanocrystalline diamond films was investigated. In as-deposited film, the friction coefficient in ambient and humid condition was 0.8. Such a high value is explained by the formation of strong bonds across the sliding interfaces. In contrast, under similar test condition, friction coefficient of N⁺ ion-implanted film was ~0.07. The significant decrease in friction coefficient is ascribed to the formation of covalent CN_x phase which limits the formation of strong bonds in sliding interfaces.     

压力对纳米金刚石膜生长的影响

纳米金刚石膜具有高耐磨能力和低摩擦系数,在多个领域有广阔的应用前景。纳米金刚石膜可通过热丝化学气相沉积方法进行制备。其中,系统压力是关键的参数,适当的压力下可生长纳米金刚石膜,而改变压力则金刚石膜的表面形态将发生变化。实验通过不同压力下制备金刚石膜,采用扫描电镜进行形貌观察,并通过拉曼光谱确定纳米金刚石结构。实验表明,金刚石膜形态随压力变化而改变,一定压力下生长出纳米金刚石膜,降低压力则晶体颗粒变粗。分析其原因是与氢原子的运动密切相关。     

具有广阔应用前景的纳米金刚石膜

纳米金刚石膜的制备、表征和应用研究已经成为CVD金刚石膜研究领域的一个新的热点．文章重点介绍了Gruen等人在贫氢和无氢环境中制备纳米金刚石膜的开创性工作,并和在富氢气氛中制备的纳米金刚石膜进行了对比评述．对纳米金刚石膜的表征技术和应用前景进行了讨论．     

Impact of nitrogen doping on growth and hydrogen impurity incorporation of thick nanocrystalline diamond films

A much larger amount of bonded hydrogen was found in thick nanocrystalline diamond(NCD) films produced by only adding 0.24% N2 into 4% CH4 /H2 plasma,as compared to the high quality transparent microcrystalline diamond(MCD) films,grown using the same growth parameters except for nitrogen.These experimental results clearly evidence that defect formation and impurity incorporation(for example,N and H) impeding diamond grain growth is the main formation mechanism of NCD upon nitrogen doping and strongly support the model proposed in the literature that nitrogen competes with CH x(x=1,2,3) growth species for adsorption sites.     

石英衬底上生长的高光学质量的纳米金刚石薄膜

采用射频等离子体增强的热丝化学气相沉积(RFHFCVD)技术在石英玻璃衬底上制备了表面光滑、晶粒致密均匀的纳米金刚石薄膜.用扫描电子显微镜(SEM)和台阶仪观测薄膜的表面形貌和粗糙度,x射线衍射(XRD)和Raman光谱表征膜层的结构,并用紫外可见近红外光谱仪测量其光透过率.实验结果表明,衬底温度、反应气压及射频功率对金刚石膜的结晶习性、表面粗糙度及光透过率均有很大程度的影响,其最佳值分别为700℃,2×133Pa和200W.在该最佳参量下经1h的生长即获得连续、平滑的纳米金刚石膜,其平均晶粒尺寸为约25 关键词： 纳米金刚石薄膜 射频等离子体增强热丝化学气相沉积 光透过率