硼掺杂金刚石薄膜的形成机理及其制备的研究

摘要

针对金刚石薄膜的诸多特性及其存在的缺陷，提出一种新型的金刚石复合薄膜的制备方法，来改善金刚石薄膜现存的问题，充分发挥金刚石薄膜的优异性能。采用异类元素掺杂的方法，使单纯的金刚石晶粒组成的薄膜变为一种由界面相和晶粒相组成复合结构。这样可以使组成薄膜的晶粒颗粒度变小，并且可以减小或是消除金刚石薄膜中各个晶界处的非晶体碳和缺陷。改善金刚石薄膜在力学、光学、电学等方面的性能。本文从理论计算与实验制备两个方向入手，异类掺杂元素选用硼，研究硼掺杂薄膜的形成机理和制备。
　　理论研究采用VASP(Vienna Ab-inito Simulation Package)软件包计算了掺杂元素硼原子在单层氢终止和具有活性位的氢终止表面的吸附与迁移行为，研究硼元素掺入后金刚石薄膜的生长会有怎样的不同。经过计算发现，在氢终止表面上，硼原子在开环二聚体链之间，第二层碳原子的上方（P5位）时可以吸附，在其他高对称位时轻吸附或不吸附，在全氢表面发生迁移时迁移过程中也比较容易脱附。在具有活性位的氢终止表面上，硼原子可以吸附并能参与到金刚石薄膜晶体颗粒的生长中。在金刚石(001)表面的二聚体开环桥位上（P3位）与P5位，硼原子可以萃取到邻近的氢原子制造活性位形成BH基，这对碳与碳氢基团在金刚石表面的吸附有利，而且形成的BH基更容易迁移较之硼原子。
　　以微波等离子化学气相沉积法为实验方法制备硼掺杂金刚石薄膜。经过多次试验，首先制备出未掺杂异类元素的优质金刚石薄膜，在制备纯金刚石薄膜的实验基础上掺入硼元素制备硼掺杂金刚石薄膜。硼源为乙硼烷，其浓度用氢气稀释为0.1％。使用原子力测量仪和扫描电镜对实验样品的形貌进行表征后分析发现，适量掺杂硼元素可以细化金刚石薄膜中的晶体颗粒，提高形核率，使薄膜粗糙度降低；结合理论计算可得，掺硼量大时，可以促进晶体颗粒的生长，并且可以促进沉积过程中碳原子的迁移，使沉积形成的金刚石晶体颗粒表面光滑洁净。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景

1.2 掺杂金刚石薄膜

1.3 存在的问题

1.4 课题研究的目的、意义及内容

2 理论及实验方法

2.1 相关理论

2.2 VASP软件包

2.3 实验方法

3 硼原子在不同氢终止表面的吸附与迁移行为

3.1 计算方法与计算模型的建立

3.2 硼原子在氢终止表面的吸附行为

3.3 硼原子在具有一个活性位的氢终止表面的吸附与迁移行为

3.4 硼原子在具有两个活性位的氢终止表面的吸附与迁移行为

3.5 硼原子在具有三个活性位的氢终止表面的吸附与迁移行为

3.6 小结

4 MPCVD法制备硼掺杂金刚石薄膜

4.1未掺杂金刚石薄膜的制备与检测

4.2 硼掺杂金刚石薄膜的制备与检测

4.4 小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

索引

在学研究成果

致谢