CVD金刚石薄膜的掺杂及其电化学性能的研究

摘要

金刚石是碳的同素异形体，其物理化学性能独特，不容易与酸碱盐发生化学反应，因此化学性质稳定。硼掺杂金刚石(Boron-dopedDiamond，BDD)因其半导体特性表现出优异的电化学性质，因此在氧化降解有机污水等方面具有巨大的应用潜力。
　　本文选用金属Nb作基体，甲烷(CH4)和氢气(H2)为气源，乙硼烷(B2H6)为掺杂源，采用热丝辅助化学气相沉积(HFCVD)方法，在基体温度800℃、压强3.5kPa、V(CH4)/V(H2)为1/100的条件下，通过在气源中掺杂不同硼烷而制备得到BDD薄膜。采用场发射扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射光谱分别对金刚石薄膜表面形貌、质量、物相组成进行表征。在此基础上，研究了所制备的BDD电极在H2SO4、KOH和KCl溶液中的电化学特性，此外，初步研究了BDD电极对苯酚的降解效果。
　　试验结果表明，金刚石晶粒尺寸随着V(B2H6)/V(CH4)的增加逐渐变小。拉曼光谱结果表明当V(B2H6)/V(CH4)小于1/100时，拉曼曲线金刚石峰尖锐，石墨峰强度较小，金刚石质量良好;当V(B2H6)/V(CH4)大于2/100时，拉曼曲线在低波数(500cm-1和1200cm-1)位置将出现由于硼掺杂引起的特征峰，同时拉曼光谱金刚石特征峰宽化，并且强度降低，表明金刚石膜质量下降。XRD图谱表明在沉积金刚石的过程中Nb基体与金刚石膜之间会出现NbC和Nb2C中间过渡层。
　　V(B2H6)/V(CH4)为(1～2)/100的金刚石电极，在H2SO4溶液中具有最宽的电势窗口(3.8V)，随着V(B2H6)/V(CH4)的增加，BDD电极电势窗口逐渐变窄。以苯酚模拟工业废水时，1～2V扫描范围内，CV曲线平缓，背景电流很低;电势在1.4V左右时出现苯酚的氧化峰。当V(B2H6)/V(CH4)为(3～4)/100时，苯酚氧化峰电流密度较大，达到0.003Acm-2。