周期磁場約束化學氣相沉積金剛石的研究

《周期磁場約束化學氣相沉積金剛石的研究》是依託中南大學，由余志明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：周期磁場約束化學氣相沉積金剛石的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：余志明
• 依託單位：中南大學

項目摘要

首次採用周期磁場（Periodically Magnetic Field, PMF）與化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）耦合方法，以期降低CVD金剛石的沉積溫度、控制其晶體生長模式和改善原位摻雜效果。首先，理論分析運動磁場PMF對CVD電漿中帶電粒子（特別是電子）運動的制約，以及這種運動受約電子與CVD氣相中的分子和晶體的生長表面原子發生碰撞的規律。從而了解PMF對CVD動力學的影響。在此基礎上，設計、製備周期磁場（PMF頻率變化範圍和磁場強度不同）約束化學氣相沉積耦合系統（PMF-HFCVD systems）。利用該系統試驗研究周期磁場變化頻率、磁場強度和磁場移動線速度對CVD金剛石的形核、生長模式、生長速度、原位摻雜等的影響，找出其影響規律。本研究可能在CVD金剛石的低溫生長、定向生長、原位摻雜等方面取得突破。

結題摘要

圍繞“周期磁場約束化學氣相沉積金剛石的研究”，自主研發了弱磁場高轉速系統（PMF1）和強磁場低轉速系統（PMF2），與熱絲化學氣相沉積系統進行耦合，從試驗和理論模擬兩方面進行了系統地研究。試驗結果表明，周期性磁場的磁場強度（B0）、旋轉角速度（ωmf）及運動線速度（vmf）之間存在聯動關係。B0恆定時，高的ωmf和高的vmf有助於提高CVD金剛石的生長速率；ωmf和vmf恆定時，較低的B0對生長速率的提高更有效。耦合系統可以將CVD金剛石的沉積溫度從700 °C降至520 °C，實現CVD金剛石的低溫生長，且生長速率提高了~7倍。在周期性磁場的約束下，金剛石的形核晶粒的尺寸降低，形核率得到提高。從PMF 對溫度梯度金剛石的生長速率分布圖的影響發現，高溫（700°C）時，磁場對金剛石的作用更顯著；且在高溫區內，低的旋轉角頻率有利於形成（110）擇優取向，而高的旋轉角頻率則有利於形成（100）擇優取向，從而影響了CVD金剛石多晶織構的生長。從場發射性能方面考慮，高溫條件下，低的旋轉角頻率容易獲得尖頂形貌的金剛石，而低溫條件下，高的旋轉角頻率促進納米金剛石晶粒的生長，都實現了降低薄膜開啟電場的目標。對於CVD金剛石摻雜的研究表明，周期性磁場可以提高金剛石的摻硼量，增加薄膜的導電性，從而也降低了薄膜的開啟電場，提高了薄膜的場發射性能。理論研究方面，分別模擬了周期性磁場的B0、ωmf及vmf對電子運動軌跡的影響，從分子動力學和化學反應動力學的相關原理出發，分析了受約電子與氣體分子碰撞、能量傳遞及對成鍵的影響，解釋了周期性磁場對CVD金剛石生長溫度、形核率、生長速度多晶膜織構以及摻雜的作用效果。這些研究內容涵蓋物理、化學等領域，屬於深度交叉學科，豐富了學科內容，且引入周期性磁場（PMF）後，有希望放寬製備視窗，降低優質金剛石薄膜的合成難度與成本，進一步推廣金剛石薄膜在各行各業的套用，具有重要的科學意義。