【摘要】：CVD金剛石具有十分優(yōu)異的物理化學(xué)性能,因此在眾多領(lǐng)域中擁有廣泛的應(yīng)用前景。微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)與其他沉積方法相比,具有能夠提供純凈的沉積環(huán)境和高密度的等離子體的優(yōu)勢(shì),因此成為制備高質(zhì)量金剛石的首選方法。在CVD金剛石的沉積過(guò)程中,提高沉積氣壓可提高活性基團(tuán)濃度和等離子密度,有利于高質(zhì)量金剛石的生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)使用自制多模MPCVD裝置,在較高的沉積氣壓和微波功率下對(duì)高質(zhì)量的CVD金剛石的生長(zhǎng)進(jìn)行研究,具體工作如下:1)利用實(shí)驗(yàn)室自制的10kW非圓柱多模諧振腔式MPCVD裝置在微波功率5kW,甲烷濃度0.7%的沉積環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以CH_4/H_2混合氣體為工作氣體,進(jìn)行了等離子體模擬和發(fā)射光譜分析的研究。模擬結(jié)果表明,高沉積氣壓下等離子體密度更高,活性更強(qiáng)。發(fā)射光譜結(jié)果表明,升高氣壓有利于提高等離子體中主要活性基團(tuán)的強(qiáng)度,比如CH、H_β等。在氣壓上升前期,電子溫度隨著氣壓的上升而上升,當(dāng)沉積氣壓高于17 kPa時(shí),電子溫度隨著氣壓的上升開(kāi)始下降。由此可知,適當(dāng)?shù)奶岣叱练e氣壓有利于提高等離子體活性,有利于高質(zhì)量CVD金剛石的生長(zhǎng)。2)利用實(shí)驗(yàn)室自制的10kW非圓柱多模諧振腔式MPCVD裝置,在8~20 kPa的氣壓范圍內(nèi)進(jìn)行多晶金剛石膜的沉積研究。研究表明溫度在850℃時(shí),氣壓從8kPa升高到14kPa,金剛石膜表面均勻性變好、生長(zhǎng)質(zhì)量提高,當(dāng)沉積氣壓高于17kPa時(shí),沉積金剛石中缺陷開(kāi)始增多,而溫度在1150℃時(shí),SEM表面形貌具有相同的變化趨勢(shì),說(shuō)明適當(dāng)提高沉積氣壓到一定范圍有利于金剛石膜高質(zhì)量生長(zhǎng),得到的調(diào)控規(guī)律表明在14kPa到17kPa的高氣壓沉積范圍內(nèi)可以生長(zhǎng)表面質(zhì)量較好的金剛石膜,這一結(jié)果也與發(fā)射光譜分析得出的結(jié)果相符合。3)利用實(shí)驗(yàn)室自制的10kW非圓柱多模諧振腔式MPCVD裝置,在功率4500W甲烷濃度8%沉積環(huán)境下,對(duì)單晶金剛石的外延生長(zhǎng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)等離子體刻蝕后的單晶金剛石可有效抑制生長(zhǎng)缺陷的出現(xiàn)。外延生長(zhǎng)中,沉積溫度的改變會(huì)對(duì)外延單晶的質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響,沉積溫度過(guò)低則生長(zhǎng)速率過(guò)慢,沉積溫度過(guò)高則會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)缺陷。通過(guò)研究,最終在功率為4.5 kW,甲烷濃度為8%,沉積溫度為1000℃時(shí)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量單晶金剛石的生長(zhǎng)。
【圖文】：

.1 金剛石的結(jié)構(gòu)金剛石是一種原子晶體，它屬等軸晶系[6]。其是碳原子以 sp3鍵雜列形成的碳的同素異形體。金剛石內(nèi)部以共價(jià)鍵具有高度的對(duì)稱性方式連接，每個(gè)碳原子與相鄰的四個(gè)碳原子保持相同的距離，距離155nm，鍵間的夾角為 109°28′，呈正四面體結(jié)構(gòu),如下圖所示。金剛結(jié)構(gòu)為面心立方點(diǎn)陣，每個(gè)面心立方原胞中含有 4 個(gè)碳原子，4 個(gè)碳分別位于四個(gè)空間對(duì)角線的四分之一處[8]。金剛石的結(jié)構(gòu)是由單一的子組成復(fù)合格子，兩個(gè)面心立方的布拉菲原胞沿它們的空間對(duì)角線四分之一的長(zhǎng)度套構(gòu)而成。金剛石的空間點(diǎn)群是 Fd3m-Oh7，晶格常3567nm。

.1 金剛石的結(jié)構(gòu)金剛石是一種原子晶體，它屬等軸晶系[6]。其是碳原子以 sp3鍵雜列形成的碳的同素異形體。金剛石內(nèi)部以共價(jià)鍵具有高度的對(duì)稱性方式連接，每個(gè)碳原子與相鄰的四個(gè)碳原子保持相同的距離，距離155nm，鍵間的夾角為 109°28′，呈正四面體結(jié)構(gòu),如下圖所示。金剛結(jié)構(gòu)為面心立方點(diǎn)陣，每個(gè)面心立方原胞中含有 4 個(gè)碳原子，4 個(gè)碳分別位于四個(gè)空間對(duì)角線的四分之一處[8]。金剛石的結(jié)構(gòu)是由單一的子組成復(fù)合格子，兩個(gè)面心立方的布拉菲原胞沿它們的空間對(duì)角線四分之一的長(zhǎng)度套構(gòu)而成。金剛石的空間點(diǎn)群是 Fd3m-Oh7，晶格常3567nm。
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ163

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本文編號(hào)：2614892