氮掺杂金刚石{100}晶面的缺陷发光特性

氮是金刚石中最常见的杂质之一, 其对金刚石的缺陷发光具有重要的影响. 氮可以与金刚石中的本征缺陷形成复合缺陷. 本文首先利用阴极射线发光照片(CL)对一个高温高压合成的氮掺杂金刚石进行表征, 发现{100}晶面为蓝色, 然后利用透射电子显微镜(TEM)对该晶面进行电子辐照及后续退火处理, 以引入本征点缺陷进而形成含氮的复合缺陷, 并利用低温光致发光光谱(PL光谱)表征其缺陷发光特性, 发现该晶面主要以氮-空位复合缺陷(NV中心)发光为主, 并伴随着较弱的503 nm发光. 关键词： 金刚石 缺陷 发光     

CVD金刚石中的氮对等离子体刻蚀的影响

采用非对称磁镜场电子回旋共振等离子体分别对沉积过程中掺氮和未掺氮的化学气相沉积金刚石膜进行了刻蚀研究, 结果表明: 掺氮制备的金刚石膜的刻蚀主要集中在晶棱处, 经过4h刻蚀后其表面粗糙度由刻蚀前的4.761 μm下降至3.701 μm, 刻蚀对金刚石膜的表面粗糙度的影响较小; 而未掺氮制备的金刚石膜的刻蚀表现为晶面的均匀刻蚀, 晶粒坍塌,刻蚀4h后其表面粗糙度由刻蚀前的3.061 μm下降至1.083 μm. 刻蚀导致表面粗糙度显著降低. 上述差别的主要原因在于金刚石膜沉积过程中掺氮导致氮缺陷在金刚石晶棱处富集, 晶棱处电子发射加强, 引导离子向晶棱运动并产生刻蚀, 从而加剧晶棱的刻蚀. 而未掺氮金刚石膜,其缺陷相对较少且分布较均匀 ,刻蚀时整体呈现为 (111) 晶面被均匀刻蚀继而晶粒坍塌的现象. 关键词： 掺氮 金刚石膜 刻蚀 非对称磁镜场     

触媒组分对高温高压金刚石大单晶生长及裂纹缺陷的影响

本文利用六面顶压机,在5.6 GPa, 1250—1450℃的高压高温条件下,分别选用FeNiCo和NiMnCo触媒合金开展了金刚石大单晶的生长实验,系统地考察了触媒组分对金刚石单晶裂纹缺陷的影响.首先,通过对两种组分触媒晶体生长实验对比发现,金刚石大单晶裂纹缺陷出现的概率与触媒组分相关联.同NiMnCo触媒相比, FeNiCo触媒生长的金刚石单晶更容易出现生长裂纹.我们认为,这与FeNiCo触媒黏度高、流动性差、碳素输运能力差、生长中晶体比表面积大,进而导致其对生长条件稳定性的要求较高有关.其次,两种触媒极限增重速度和生长时间的关系曲线表明,相同生长时间条件下, NiMnCo触媒生长金刚石单晶的极限增重速度相对较大.再次,扫描电子显微镜测试结果表明,裂纹缺陷的出现与否同晶体表面平整度的高低无必然联系,表面平整度高的金刚石单晶内部也可能存在裂纹缺陷.最后,经对金刚石单晶傅里叶微区红外测试结果进行分析,得出了氮杂质含量的高低与金刚石单晶裂纹缺陷的出现与否无内在关联性的研究结论.     

氮掺杂的金刚石磁性研究

采用第一性原理计算方法研究金刚石中由空位或者N掺杂引起的磁特性. 发现-1价和-2 价的碳空位能分别产生3 μ_B和2μ_B的磁矩; -2价的碳空位能够引发长程有序的铁磁耦合状态, 而-1价的碳空位更倾向于反铁磁耦合.掺杂N元素能有效地控制空位的荷电状态及相应的磁相互作用, 这一结果为在金刚石中实现非过渡族金属掺杂的铁磁性提供了一条新的路径. 关键词： 第一性原理计算 氮掺杂 金刚石 磁性     

电子辐照金刚石的光致发光研究

本文利用488 nm及325 nm激光器比较了超纯、氮掺杂及硼掺杂三种金刚石经电子辐照所形成的光学中心. 结果表明, 金刚石中引入施主或受主原子后, 形成了新的光学中心, 如NV, DB1中心.     

锌添加对大尺寸金刚石生长的影响

利用温度梯度法,在6.2—6.4 GPa,1270—1400℃条件下,通过在NiMnCo-C体系中添加不同比例的锌粉成功合成出3 mm左右的大尺寸金刚石单晶.研究了锌添加对金刚石颜色、形貌、内部氮杂质以及晶体结晶度的影响.结果表明:随着锌添加量逐渐增加,晶体的颜色逐渐变浅,晶体的透光性增强;当锌添加比例达到3 wt.%时,晶体表面出现大量不规则的凹坑;晶体内氮杂质主要以C心形式存在,随着锌添加量的增多晶体内氮含量逐渐降低,基于锌的除氮能力总结出两种可能的除氮机制;拉曼光谱测试结果表明,在锌添加量小于3.0 wt.%的研究范围内,锌的添加有利于提高晶体的结晶度.本研究不仅有助于天然金刚石形成机制的探究,而且对丰富金刚石的种类以及扩展人工合成金刚石的应用领域都有着重要意义.     

用EPR方法研究人造金刚石中杂质氮

 本文用电子顺磁共振（EPR）方法，研究人造金刚石中氮的电子结构。提出用自旋浓度来表征氮含量的方法，并对不同方法制得的金刚石进行测定。     

氧化锌薄膜的缺陷发光和它作为白光光源的潜在应用

ZnO发光二极管(LEDs)在照明应用方面有着巨大的潜力。需要解决的主要问题是光的产生和对辐射的控制,这个问题来自LED波长的变化和组合。发现缺陷发光的ZnO有着各种波长范围,适合LED在白光产生方面的应用。同时展示了在实验和理论上可以用于ZnO系统的缺陷辐射。这种类型的缺陷相较于传统的掺杂材料和其他材料,其优点在于不需要广泛和昂贵的生产系统。不仅提出了ZnO薄膜在白色平面LED光源本征缺陷发光的潜在应用,同时也利用一些方法一个特定的中心位置和ZnO薄膜在初期发射谱带的宽分布来控制缺陷的产生。根据不同的制备方法和特定的实验条件,不同的白色,如稍白色和青白色等原本的和重要的颜色-蓝光波段(455, 458 nm),绿光波段(517, 548 nm),红光波段(613, 569 nm)分别被获得。从而说明了这是一种制作白光LED更好的办法-利用ZnO材料。在对ZnO薄膜电学性质的调查研究中,通过薄膜表面的额电子插入和正离子的湮灭已经证明了的观点,随着质子的植入、正离子的湮没、电子的插入和ZnO表面的电学性质的研究,表述结果被进一步的证实。研究人员对单晶ZnO的已经有了一定的研究,PL质子植入ZnO以后呈现橘红色,并且在700 ℃退火后仍然存在,清楚的可以看出PL缺陷的存在。在植入粒子方面最近的文章也有报道,例如在ZnO缺陷表层中注入离子和电子来改变PL性能。V_Zn也发现了氧化锌薄膜的主要缺陷之一是正电子湮没,同样的,Vlasenko和Watkins也发现了氧化锌表面由于电子辐射产生的缺陷。导致绿色透光率的减少,增加PL致600～700 nm。之后分析和解释ZnO薄膜电阻率的缺陷。由霍尔系数的迹象表明ZnO表现为N型传导,这样做的原因是因为把V_O和Zn原子联系在一起,使Zn具有较低的电阻率。试验中氧气退货可以增加ZnO的电阻率,其电阻率的增加是由于V_O的减少。另外,在200 ℃条件下准备的样品导电率很低,说明了V_O的作用很大。退火氧化锌薄膜电导率下降表明, 看到了主要的缺陷。     

金刚石薄膜的蓝光发射

利用氮化铝陶瓷作为衬底，在不同甲烷与氢气的配比流量下，利用热丝ＣＶＤ方法制备了一个系列的金刚石薄膜，通过测量样品在４３０ｎｍ处的光致荧光（ＰＬ）谱及其Ｒａｍａｎ光谱，给出了金刚石薄膜的结构与生长信息，薄膜ＰＬ强度随甲烷浓度增加到３％时达到最大，继续增加了甲烷浓度ＰＬ强度下降。     

高能电子照射对金刚石中缺陷电荷状态的影响

金刚石经电子辐照后会形成大量的点缺陷, 而这些缺陷很多都是带有电荷的. 提出一种用于研究缺陷电荷状态的新思路, 即利用扫描电子显微镜(SEM)的高能电子照射辐照区域, 通过比较SEM 照射前后的低温光致发光光谱, 为缺陷电荷状态的确定提供了一些依据. 关键词： 金刚石 点缺陷 电荷状态     

氮离子注入对类球状微米金刚石聚晶膜的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,在覆盖金属钛层的陶瓷衬底上制备出类球状微米金刚石聚晶膜,后对膜的表面进行氮离子的注入.通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射谱及二级结构场发射测试,对膜进行了注入前后的分析.氮离子注入后场致电子发射的效果变强,这可能是氮离子的注入增加了类球状微米金刚石聚晶膜表面的缺陷度,从而增加了价带和导带间的缺陷能级,使电子更容易跃迁到高能级上,提高了场致电子的发射效果.     

氮氢共掺杂金刚石中氢的典型红外特征峰的表征

所有天然Ia型金刚石红外光谱中都存在3107 cm-1特征峰,而在金属触媒直接合成的金刚石红外光谱中没有检测出3107 cm-1特征峰.本文在6.3 GPa,1500?C条件下,通过Fe70Ni30触媒中添加P3N5直接合成出具有3107 cm-1特征峰的氮氢共掺杂的金刚石.红外光谱分析表明,合成的金刚石中氢有两种存在形式:一种对应着乙烯基团C=CH2中C—H键的伸缩振动(3107 cm-1)和弯曲振动(1450 cm-1)的吸收峰,另一种对应着sp3杂化C—H键的对称伸缩振动(2850 cm-1)和反对称伸缩振动(2920 cm-1)的吸收峰.通过分析发现,3107 cm-1吸收峰与金刚石中聚集态的氮原子有关,当金刚石中没有聚集态的氮元素时,即使氮含量高也不会出现3107 cm-1峰;并且2850和2920 cm-1附近的吸收峰比3107 cm-1附近的吸收峰更为普遍存在.这说明sp3杂化C—H键比乙烯基团的C—H键更广泛存在于金刚石中,从两者的峰值看,天然金刚石中的氢杂质主要以乙烯基团C=CH2存在.3107 cm-1吸收峰与聚集态的氮原子的这种存在关系为天然金刚石形成机制的研究提供了一种新思路,同时较低的合成条件也可能为氢与其他元素共掺杂合成具有n型半导体特性的金刚石提供一个较理想的合成环境.     

Synthesis and characterization of a single diamond crystal with a high nitrogen concentration

In this paper, we explore diamond synthesis with a series of experiments using an Fe-Ni catalyst and a P₃N₅ additive in the temperature range of 1250-1550 ℃ and the pressure range of 5.0-6.3 GPa. We also investigate the influence of nitrogen on diamond crystallization. Our results show that the synthesis conditions (temperature and pressure) increase with the amount of P₃N₅additive increasing. The nitrogen impurity can significantly influence the diamond morphology. The diamonds stably grow into strip and lamellar shapes in the nitrogen-rich environment. The Fourier-transform infrared spectrum shows that the nitrogen concentration increases rapidly with the content of P₃N₅additive increasing. By spectrum analysis, we find that with the increase of the nitrogen concentration, the Ib-type nitrogen atoms can aggregate in the A-centre form. The highest A-centre nitrogen concentration is approximately 840 ppm.     

Synthesis and characterization of a single diamond crystal with a high nitrogen concentration

In this paper,we explore diamond synthesis with a series of experiments using an Fe-Ni catalyst and a P3N5 additive in the temperature range of 1250-1550 ℃ and the pressure range of 5.0-6.3 GPa.We also investigate the influence of nitrogen on diamond crystallization.Our results show that the synthesis conditions(temperature and pressure) increase with the amount of P3N5 additive increasing.The nitrogen impurity can significantly influence the diamond morphology.The diamonds stably grow into strip and lamellar shapes in the nitrogen-rich environment.The Fourier-transform infrared spectrum shows that the nitrogen concentration increases rapidly with the content of P3N5 additive increasing.By spectrum analysis,we find that with the increase of the nitrogen concentration,the Ib-type nitrogen atoms can aggregate in the A-centre form.The highest A-centre nitrogen concentration is approximately 840 ppm.     

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.