金剛石中的氮空位色心（NV色心）因其獨(dú)特的光/電磁特征和優(yōu)異的電子學(xué)性質(zhì),使其在弱磁場(chǎng)等精密物理量的測(cè)量以及下一代電子器件有著可觀的應(yīng)用前景。無論是在下一代電子器件還是NV色心應(yīng)用中,離子注入/輻照都是調(diào)控其性能的關(guān)鍵技術(shù)。本文分別以光學(xué)級(jí)和電子級(jí)單晶金剛石為對(duì)象,通過電子輻照、N、O、S離子注入,系統(tǒng)研究單晶金剛石的光/電性能演化規(guī)律,揭示單晶金剛石材料離子注入導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)及其性能演化機(jī)制。經(jīng)170 ke V、1×1016 cm-2電子輻照后,光學(xué)級(jí)金剛石光學(xué)透過率明顯下降,但輻照對(duì)光學(xué)吸收邊沒有影響,同時(shí)電子輻照會(huì)促進(jìn)NV-向NV0轉(zhuǎn)化,原因在于其會(huì)優(yōu)先破壞NV-色心,使其電離出自由電子,轉(zhuǎn)變?yōu)镹V0。經(jīng)150 ke V N離子注入,光學(xué)級(jí)金剛石內(nèi)產(chǎn)生的顯著的位移損傷效應(yīng)和N的摻雜效應(yīng)導(dǎo)致金剛石光學(xué)性能不斷退化。輻照注量增加值2×1016 cm-2時(shí),材料光學(xué)透過率下降至零,金剛石完全石墨化。N注量為1×1011 cm-2時(shí),注入的位移效應(yīng)破壞了金剛石中原有的NV色心缺陷結(jié)構(gòu),使得NV0和NV-色心的相對(duì)強(qiáng)度都下降,而N離子的注量為1×1014 cm-2時(shí),NV0和NV-色心... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

金剛石結(jié)構(gòu)示意圖[3]

嘉?.8×104m/s，在眾多的聲波傳遞介質(zhì)中，金剛石是聲表面波傳播速率最快的材料，大約為Al2O3的6倍以上，而且高的彈性模量會(huì)減少聲音傳播過程中的損耗，這些品質(zhì)使其能夠成為很好的揚(yáng)聲器和高頻聲學(xué)傳感器（能達(dá)到70kHz）從而產(chǎn)生獨(dú)一無二的飽滿的真實(shí)音質(zhì)[6]。（5）光學(xué)性質(zhì)金剛石薄膜在光學(xué)性能方面的表現(xiàn)同樣優(yōu)異，高純度金剛石的透射率不受波段范圍的限制，除了在3-5μm波段內(nèi)存在由于聲子振動(dòng)導(dǎo)致的微小吸收峰[7]，在整個(gè)波段都有著極高的光學(xué)透過率（紫外波段~微波波段），理論光學(xué)透過率可達(dá)到71%左右。如圖1-2為光學(xué)級(jí)金剛石膜透過率曲線。圖1-2光學(xué)級(jí)金剛石膜透過率曲線[8]復(fù)雜的工作環(huán)境對(duì)光學(xué)鏡頭的保護(hù)膜提出了極高的要求，金剛石是一種兼具透光性、優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)惰性完美材料，比普通材料更能適應(yīng)極端惡劣環(huán)境，是極佳的光學(xué)透鏡保護(hù)膜制作材料候眩這使其在制作防腐耐磨紅外光學(xué)窗口、大功率紅外激光器窗口以及空間探測(cè)器窗口方面有著廣泛的應(yīng)用。（6）電學(xué)性質(zhì)作為超寬禁帶（禁帶寬度＞4.5eV）半導(dǎo)體材料的一員，金剛石優(yōu)異的電學(xué)性能體現(xiàn)在超高的禁帶寬度（Eg=5.5eV）、較高的載流子遷移率和較髙的擊穿電場(chǎng)等，表1-1為金剛石和幾種常用的半導(dǎo)體材料的電學(xué)參數(shù)對(duì)比。金剛石禁帶寬度高達(dá)5.5eV，這使得金剛石材料相對(duì)于Si和GaAs材料來說擁有極好的抗輻照性能，可以作為空間高能粒子探測(cè)器的理想選擇材料。金剛石擊穿電壓也遠(yuǎn)高于比Si和GaAs，空穴以及電子遷移率也較高，尤其是它的空穴

哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文4迀移率遠(yuǎn)高于普通半導(dǎo)體材料（Si和GaAs），作為集成電路基體材料將大幅度提高電路運(yùn)行速率。金剛石的介電常數(shù)僅為硅的二分之一左右，這決定了金剛石同樣可以作為一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，可以制成高頻大功率半導(dǎo)體器件以及集成電路，比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體更能適應(yīng)高溫、強(qiáng)輻射等惡劣的工作環(huán)境。目前學(xué)者們已制作出基于金剛石材料的MOS晶體管、場(chǎng)效應(yīng)器件和肖特基器件等[9]。表1-1金剛石與其他常見半導(dǎo)體材料電學(xué)性能對(duì)比SiGaAsa-GaN4H-SiC6H-SiC金剛石禁帶寬度（eV）1.11.43.43.33.05.5帶隙特點(diǎn)間接直接直接間接間接間接介電常數(shù)11.812.58.99.79.75.7電子遷移率(cm2/Vs)1400850020009004502200空穴遷移率(cm2/Vs)600400100100501800擊穿電壓(×105V/cm)3.04.040202050~200熱導(dǎo)率(W/cm·K)1.50.461.33.33.520飽和電子漂移速率（×107cm/s）1.01.32.22.52.52.71.2.2金剛石的應(yīng)用及發(fā)展方向（1）電化學(xué)和超導(dǎo)材料的研究與應(yīng)用B原子摻雜的p型金剛石在電化學(xué)和超導(dǎo)材料領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用。B摻雜金剛石薄膜（以下簡(jiǎn)稱BDD）電極具有寬的電化學(xué)勢(shì)窗和良好的可逆性，可以應(yīng)用在重金屬離子檢測(cè)和有機(jī)物降解等電化學(xué)領(lǐng)域，其反應(yīng)機(jī)理如圖1-3所示[10]。李春燕等人[11]測(cè)得BDD薄膜電極電化學(xué)勢(shì)窗約為3.7V，大于絕大部分有機(jī)物的氧化分解電位，說明絕大多數(shù)的有機(jī)污染物都可以在BDD電極上被直接氧化分解的。圖1-3BDD電極電化學(xué)氧化還原機(jī)理示意圖[10]

【參考文獻(xiàn)】：
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