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纳米金刚石薄膜的应用及其研究进展

以纳米金刚石薄膜的应用为主线,讨论了它在机械、光学、声学、电学等应用领域的优势,以实例分析、证明了其在各领域中所展现出的优异性能.综述了纳米金刚石薄膜在上述应用领域的研究进展,同时从不同方向阐释了其研究应用过程中所存在的不足,并对其今后的主要发展方向进行了展望.

关键词: 纳米金刚石薄膜 , 应用 , 研究进展

采用微波等离子体化学气相沉积法,以甲烷和氮气为气源,通过改变反应气体中氢气的浓度,在硅衬底上沉积出掺杂氮的超纳米金刚石膜.并利用扫描电子显微镜,拉曼光谱仪,X射线衍射仪,霍尔效应测试仪分别对掺杂氮的超纳米金刚石膜的表面形貌,组成结构及导电性能进行了进行表征,重点研究了氢气浓度对薄膜特性的影响.结果表明:随着氢气浓度的增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐增大;薄膜的质量提高,且由G峰漂移引起的压应力逐渐减小;薄膜导电性变差.

关键词: 超纳米金刚石 , 氢气浓度 , 微波等离子体化学气相沉积 , 导电性

硼源浓度对纳米金刚石薄膜掺硼的影响

熊礼威 , 崔晓慧 , 汪建华 , 龚国华 , 邹伟

表面技术

目的：研究纳米金刚石薄膜生长掺硼的内在机理,实现对该过程的精确控制。方法采用微波等离子体化学气相沉积法,以氢气稀释的乙硼烷为硼源,进行纳米金刚石薄膜的生长过程掺硼实验,研究硼源浓度对掺硼纳米金刚石薄膜晶粒尺寸、表面粗糙度、表面电阻和表面硼原子浓度的影响。结果随着硼源浓度的增加,纳米金刚石薄膜的表面粗糙度和晶粒尺寸增大,表面电阻则先下降,而后趋于平衡。结论纳米金刚石薄膜掺硼后,表面电导性能可获得改善,表面粗糙度和晶粒尺寸则会增大。在700℃条件下掺硼15 min,最佳的硼源浓度(以硼烷占总气体流量的百分比计)为0.02%。

关键词: 纳米金刚石薄膜 , 掺硼 , 硼源浓度 , 化学气相沉积

类金刚石薄膜的摩擦性能及其应用

熊礼威 , 彭环洋 , 张莹 , 汪建华 , 崔晓慧

表面技术 doi:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.01.013

首先从成键结构的角度分析了DLC薄膜摩擦性能的由来,然后分别从DLC薄膜的沉积工艺(包括制备方法、气源种类和掺杂元素)、摩擦环境条件和基底材料选择等三方面入手,讨论了影响DLC薄膜摩擦性能的主要因素及其影响规律. 经过总结发现,通过调节DLC薄膜的沉积工艺可以改变DLC薄膜中sp2 杂化碳的含量以及氢的含量,进而影响DLC薄膜的摩擦性能;真空、惰性气体和低湿环境有利于获得更好的摩擦效果;过渡层和偏压有利于提高DLC薄膜与基底之间的附着力,其摩擦性能也会得到提升. 最后对DLC薄膜在机械加工及耐磨器件、光学和电子保护以及生物医学领域的应用进行了综述,并对应用过程中存在的两大问题——DLC薄膜的内应力和热稳定性进行了分析,归纳了一些具体的解决方案,并对DLC薄膜的发展趋势进行了展望.

关键词: 类金刚石薄膜 , 摩擦性能 , 摩擦系数 , 固体润滑薄膜 , 附着力

PECVD法制备掺硼纳米金刚石薄膜的工艺研究进展

熊礼威 , 彭环洋 , 汪建华 , 崔晓慧 , 龚国华

表面技术 doi:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.10.007

首先详细介绍了金刚石作为半导体材料的优异性能,然后从应用角度阐述了NCD薄膜掺B后形成半导体材料的优势,接着探讨了影响NCD薄膜性能(电性能、光学性能、生物性能等)的主要工艺条件(包括硼源种类、掺硼浓度、衬底温度、后处理).研究发现,大多数研究者都采用液态和气态硼源,而固态硼源由于很难液化且浓度不易控制而不常被采用,掺B后NCD薄膜的电阻率急剧下降,紫外波段下透过率可达51％,磁阻效应变好.另外衬底温度对BD-NCD薄膜的质量以及性能都有影响,衬底温度太高,非晶碳含量增加,金刚石质量下降;衬底温度太低,能够进入NCD晶界或晶粒的有效硼原子减少,影响其电学性能、光学性能,在最佳衬底温度工艺下的电导率可达22.3 S/cm,而在电化学性能方面,其电化学窗口可达3.3 V.而选择合适的硼源浓度对BD-NCD的电性能、光学性能、生物性能也非常关键,硼源浓度过大,BD-NCD表面粗糙度和晶粒尺寸增大;硼源浓度过小,产生空穴进行导电的B原子就少,在合适硼源浓度工艺条件下其载流子浓度可达1021 cm-3,折射率可达2.45.还有研究者对BD-NCD薄膜进行后处理工艺(退火、等离子体处理等),发现后处理对其电性能也有一定的影响.因此,选择合适的工艺对生长质量高、性能优异的NCD薄膜尤为重要.最后对BD-NCD薄膜的发展以及后续研究方向进行了展望和期待.

关键词: 硼掺杂 , 纳米金刚石薄膜 , 电性能 , 硼源浓度 , 衬底温度

甲烷体积分数对纳米金刚石薄膜形貌的影响

熊礼威 , 彭环洋 , 汪建华 , 崔晓慧 , 龚国华

表面技术 doi:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2016.03.012

目的：研究不同甲烷体积分数对纳米金刚石( NCD)薄膜生长的影响,实现较小晶粒尺寸、高平整度的NCD薄膜的制备。方法采用微波等离子体增强化学气相沉积的方法制备NCD薄膜,以CH4/H2为气源,在生长阶段控制其他条件不变的前提下,探讨不同甲烷体积分数对NCD晶粒尺寸、表面形貌以及表面粗糙度的影响。采用SEM、XRD等观测NCD薄膜的表面形貌和晶粒尺寸大小,并利用Raman对NCD薄膜的不同散射峰进行分析。结果随着甲烷体积分数的增加,薄膜晶粒尺寸有减小的趋势。甲烷体积分数较低时,晶形比较完整,但致密度较小；甲烷体积分数较高时,晶形杂乱无章,但致密度较好。当甲烷体积分数为9%时NCD薄膜平均粒径达到最小,为21.3 nm,表面粗糙度较好,但非晶金刚石成分开始大量生成,NCD薄膜质量开始变差；当甲烷体积分数为8%时其形貌最好,且此时最小表面粗糙度小于20 nm。通过Raman分析可知NCD薄膜中出现了硅峰和石墨烯特征峰。结论甲烷体积分数对NCD薄膜形貌有较大影响,甲烷体积分数为8%时是表面平整度由较差变好再逐渐变差的分界点,且平均晶粒尺寸为23.6 nm,薄膜表面具有较好的平整度。

关键词: 纳米金刚石薄膜 , MPCVD , 晶粒尺寸 , 表面粗糙度 , 甲烷体积分数 , 表面形貌

H2/Ar流量比对纳米金刚石形貌和结构的影响

熊礼威 , 彭环洋 , 汪建华 , 崔晓慧 , 龚国华

表面技术 doi:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2017.01.008

目的研究不同H2/Ar流量比对纳米金刚石形貌和结构的影响.方法采用MPECVD法制备了质量较好的纳米金刚石薄膜,并通过SEM、XRD对金刚石薄膜的形貌、结构以及晶粒尺寸进行了测试,还使用Raman对金刚石D峰、纳米金刚石特征峰(TPA)的变化趋势进行了分析.结果当Q(H2):Q(Ar)=50:49时,制备的金刚石晶粒为亚微米范畴,其平均晶粒尺寸为250 nm,表面平整度较差,出现堆积层错现象,但金刚石特征峰(D峰)最强,生长速率达到最大,约为125 nm/h;Q(H2):Q(Ar)=10:89时,表面平整度高,二次形核现象明显,平均晶粒尺寸为20 nm;进一步减小H2/Ar流量比为0时,可发现晶粒由纳米变为超纳米,二次形核更为明显,表面平整更高,其平均晶粒尺寸为3 nm,另外Raman测试发现金刚石特征峰强度随H2/Ar流量比的减小而减小,而纳米金刚石特征峰随H2/Ar流量比的减小而增大.结论随着H2/Ar流量比的增加,金刚石表面平整度逐渐变差,表面粗糙度也在逐渐增大,同时金刚石的晶粒尺寸和生长速率在Q(H2):Q(Ar)=50:49时达到最大.

关键词: H2/Ar流量比 , NCD薄膜 , 表面形貌 , MPECVD , 平整度 , 晶粒尺寸

慧差对矢量偏振贝塞耳-高斯光束聚焦场的影响

赵肇雄 , 刘勇

量子电子学报 doi:10.3969/j.issn.1007-5461.2009.06.001

利用Richarda-Wolf矢量衍射积分公式,获得矢量偏振贝塞耳-高斯光束经具有初级慧差的高数值孔径系统聚焦后的三维光场复振幅函数,模拟了不同慧差系数下聚焦光场的纵向分布,以及焦平面和光轴上的光强.研究表明,初级慧差的存在导致矢量偏振贝塞耳-高斯光束的会聚光场发生偏移和变形,焦平面光强的分布和光轴上的光强峰值都受初级慧差和入射光偏振态的共同影响,偏振态和初级慧差不影响聚焦光场在光轴上的对称分布.

关键词: 物理光学 , 贝塞耳-高斯光束 , Richards-Wolf矢量衍射积分 , 径向偏振 , 方位角偏振 , 慧差