IVB元素掺杂纳米金刚石复合薄膜的形成机理研究

摘要

超细纳米金刚石（UNCD）薄膜的制备现已引起了科学技术界的广泛关注。由于其具有优异的物化性能、电学性能、光学性能、机械性能、良好的生物相容性以及其他性能，因而被当做一种很理想的材料应用到各种领域。如今，众多的研究者采用实验和理论的方法对金刚石膜进行了深入的研究，但对薄膜存在的非晶态，空位等缺陷的改善并不理想。也有研究者们掺杂其他元素到纳米金刚石薄膜中，但只是改善了纳米金刚石膜的电学或光学性能，并未改善其机械性能。
　　本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对超纳米金刚石薄膜非晶态结构的形成以及粒子在薄膜表面的迁移行为进行详细的研究，主要考察了C、CH、CH2基团以及IVB族粒子在清洁和氢终止金刚石（001）表面的吸附和迁移行为。用理论指导实验，从而制备出掺杂的纳米金刚石复合薄膜，来验证理论研究的科学性。其中最主要的结论如下：
　　在贫氢氛围中，C吸附在清洁金刚石（001）表面时，其沿着dimer row方向的迁移势垒为1.962eV，沿着dimer chain方向的迁移势垒为2.665eV，说明C粒子更容易沿着闭环桥位迁移；而2C构型演变激活能超过了4.465eV，其构型演变几乎不可能发生。IVB族粒子中，只有Ti单粒子比C单粒子更容易在清洁金刚石（001）表面迁移。通过计算1C1Ti二粒子的迁移激活能发现，Ti粒子比C粒子更容易在清洁金刚石（001）表面迁移。2C1Ti三粒子中的一个C粒子从闭环迁移至开环的迁移激活能3.177eV远小于2C粒子中C粒子沿该路径的迁移激活能4.465eV，说明Ti粒子的掺杂能促进C粒子的迁移扩散。
　　在富氢氛围中，由于金刚石基底表层碳原子被H原子饱和，所以，C、CH、CH2基团以及Ti粒子不能在单层氢终止的金刚石（001）表面稳定吸附。萃取1个H原子后，由于C活性位的存在，粒子的吸附变得稳定，但由于活性位较少，粒子的迁移仍然比较困难。沿着dimer row方向迁移时，萃取2个H时最有利于C粒子和Ti粒子迁移；沿着dimer chain方向迁移时，萃取3个H时最有利于C粒子迁移； CH、CH2基团在萃取3个H原子的金刚石（001）表面上最容易迁移。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 存在的问题

1.3 课题研究的内容、目的及意义

2 相关理论及计算软件

2.1 相关理论

2.2 VASP软件包

3 碳在金刚石（001）表面的吸附和演变行为

3.1 碳在清洁金刚石（001）表面的吸附演变行为

3.2 碳在氢终止金刚石（001）表面的吸附演变行为

3.3 CH基团在氢终止金刚石（001）表面的吸附和演变行为

4 IVB族元素在金刚石（001）表面的吸附演变行为

4.1 IVB族元素在清洁金刚石（001）表面的吸附和演变行为

4.2 钛在氢终止金刚石（001）表面的吸附和演变行为

5 全文总结和展望

5.1 总结

5.2 创新性

5.3 展望

参考文献

索引

附录

在学研究成果

致谢