铈掺杂金刚石薄膜的研究

作者:刘学杰;王宇晨;陆鹏飞; 刊名:河南科技大学学报(自然科学版) 上传者:杨莉

【摘要】采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)系统制备了铈(Ce)掺杂金刚石薄膜。对Ce掺杂金刚石薄膜进行了飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)和X射线光电子能谱(XPS)的表征。研究结果表明:在金刚石薄膜的深度方向上,Ce元素的质量分数呈现梯度分布,表层中质量分数最大。当Ce掺杂通量分别为30 m L/min、45 m L/min和60 m L/min时,掺杂金刚石薄膜样品中Ce的质量分数分别为0.53%、0.86%和1.34%。

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0引言镧系元素在照明、成像技术以及量子计算机技术中扮演着重要角色[1-5]。文献[6]在金刚石中合成了基于铕原子的发光缺陷,通过检测发现铕缺陷可发出612 nm波长的光。文献[7]使用高温高压法制备铕元素、铒元素和铥元素掺杂的金刚石,发现稀土元素对石墨转化为金刚石有催化作用。文献[8-10]利用离子注入法制备了铈(Ce)掺杂金刚石薄膜,发现Ce掺杂可以增强金刚石薄膜的蓝区发光特性。文献[11]制备了氮掺杂金刚石层、Ce F3层和金刚石层组成的夹层膜,发现这种金刚石薄膜在使用不同电压激发下发出不同波长的光。文献[12-14]发现Ce O2掺杂的类金刚石薄膜(diamond likecarbon,DLC)可以显著降低残余压应力,提高力学性能,提高薄膜的光致发光强度。然而,采用化学气相沉积方法合成Ce掺杂的金刚石薄膜尚未见文献报道。文献[15-18]使用第一性原理计算方法,研究了硅(Si)、硼(B)、钇(Y)、铌(Nb)和钛(Ti)原子在金刚石表面上的吸附和迁移行为,分析了掺杂元素对金刚石膜的改性效果,进而开发新型掺杂金刚石膜。文献[19]使用微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)法沉积Ti掺杂金刚石膜,发现Ti掺杂会影响金刚石薄膜的形貌和微观结构。文献[8-11]的掺杂方法属于物理方法,不能将Ce原子掺入金刚石薄膜的晶粒与晶界中,因此无法得到Ce元素掺杂对金刚石薄膜的影响。使用基于MPCVD设备的共同生长掺杂法可以使Ce元素参与到金刚石晶粒的生长过程中,同时可以使Ce原子更多地停留在金刚石的晶粒与晶界中。本文采用飞行时间二次离子质谱(time of flight secondary ion mass spectrometry,TOF-SIMS)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)对制备的Ce掺杂金刚石薄膜进行了表征。详细分析了Ce元素在薄膜中的分布情况,Ce元素掺杂在金刚石薄膜中的质量分数以及Ce掺杂对sp3相的影响。1试验方法试验采用共同生长方法掺杂,乙酸铈水溶液(质量分数20%)作为掺杂源,利用氢气带入反应腔。MPCVD掺杂装置如图1所示。基底选择经抛光处理的(001)取向单晶硅片。为了获得更好的初始形核密度,需要对硅片进行预处理。首先,通过手工研磨的方式将硅片的抛光面进行去氧化层与制造划痕处理。研磨时选用颗粒直径为50μm和20μm的金刚石粉分别研磨,用时均为15 min。之后进行超声研磨,研磨液使用100 m L图1 MPCVD掺杂装置丙酮,其中放入0.6 g颗粒直径50μm和0.4 g颗粒直径0.5μm的金刚石粉,超声研磨20 min,超声功率80 W,温度40℃。再用120 m L的无水乙醇对硅片超声清洗15 min。沉积试验的具体参数如下:试验中反应腔气压约4 750 Pa,微波功率1 500 W。在形核阶段加-50 V的偏压10 min增加形核率,沉积4 h。沉积试验的反应气体为氢气和甲烷,甲烷与氢气混合后体积分数保持1%。乙酸铈溶液通过氢气带入反应腔,采用0 m L/min、30 m L/min、45 m L/min、60 m L/min 4种通量,分别制备4种不同掺杂量的金刚石薄膜样品。采用飞行时间二次离子质谱(型号TOF-SIMS 5,德国ION-TOF Gmb H公司)表征获得试验样品中Ce元素在金刚石薄膜深度方向的分布。采用能量为30 ke V的铋(Bi)离子束以45°入射,扫描面积

参考文献

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