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氢气浓度对掺氮超纳米金刚石薄膜的影响

人工晶体学报 2015年第2期44卷 374-379页

作者：吕琳汪建华翁俊张莹崔晓慧武汉工程大学材料科学与工程学院湖北省等离子体化学与新材料重点实验室武汉430074

采用微波等离子体化学气相沉积法,以甲烷和氮气为气源,通过改变反应气体中氢气的浓度,在硅衬底上沉积出掺杂氮的超纳米金刚石膜。并利用扫描电子显微镜,拉曼光谱仪,X射线衍射仪,霍尔效应测试仪分别对掺杂氮的超纳米金刚石膜的表面形貌,... 详细信息

采用微波等离子体化学气相沉积法,以甲烷和氮气为气源,通过改变反应气体中氢气的浓度,在硅衬底上沉积出掺杂氮的超纳米金刚石膜。并利用扫描电子显微镜,拉曼光谱仪,X射线衍射仪,霍尔效应测试仪分别对掺杂氮的超纳米金刚石膜的表面形貌,组成结构及导电性能进行了进行表征,重点研究了氢气浓度对薄膜特性的影响。结果表明:随着氢气浓度的增加,薄膜的晶粒尺寸逐渐增大;薄膜的质量提高,且由G峰漂移引起的压应力逐渐减小;薄膜导电性变差。

关键词：超纳米金刚石氢气浓度微波等离子体化学气相沉积导电性

超纳米金刚石薄膜结构相变的第一原理分子动力学研究

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原子与分子物理学报 2010年第5期27卷 932-936页

作者：王丽莉万强胡文军赵晓平中国工程物理研究院计算机应用研究所绵阳621900 中国工程物理研究院总体工程研究所绵阳621900

纳米金刚石薄膜的结构相变非常复杂,对稳定性和物理性质又尤为重要.本文用第一性原理分子动力学模拟研究了超纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构.研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开(111)面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎... 详细信息

纳米金刚石薄膜的结构相变非常复杂,对稳定性和物理性质又尤为重要.本文用第一性原理分子动力学模拟研究了超纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构.研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开(111)面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎片;内部原子sp3杂化向sp2杂化转化的发生是从(111)面上成对C原子向石墨相转化时形成π键的过程中获得了能量,驱动石墨的转变由表层向心部逐渐进行.转变过程中存在一种洋葱状富勒烯和金刚石结构共存的过渡相——Bucky-diamond,表面悬空键的消除和表层的富勒烯外壳最大限度地降低了表面能和系统总能量,Bucky-diamond结构稳定存在.

关键词：超纳米金刚石表面重构第一性分子动力学计算机模拟

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预处理对超纳米金刚石薄膜表面质量的影响

人工晶体学报 2012年第2期41卷 302-305页

作者：黑立富刘杰刘金龙李成明宋建华吕反修北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

本文研究了金刚石粉手工研磨及超声波震荡两种预处理方法对硅片衬底及超纳米金刚石膜表面粗糙度和形貌的影响,利用表面轮廓仪、X射线衍射分析(XRD)、激光拉曼、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对衬底及超纳米金刚石膜进行表征。结果表明,... 详细信息

本文研究了金刚石粉手工研磨及超声波震荡两种预处理方法对硅片衬底及超纳米金刚石膜表面粗糙度和形貌的影响,利用表面轮廓仪、X射线衍射分析(XRD)、激光拉曼、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对衬底及超纳米金刚石膜进行表征。结果表明,由于衬底轮廓的遗传特性,手工研磨的硅片上沉积的超纳米金刚石膜表面粗糙度远高于超声震荡的硅片上沉积的超纳米金刚石膜。

关键词：超纳米金刚石粗糙度表面质量遗传特性

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超纳米金刚石薄膜的性能和制备及应用

真空与低温 2014年第3期20卷 125-131,174页

作者：吕琳汪建华翁俊张莹武汉工程大学材料科学与工程学院湖北省等离子体化学与新材料重点实验室湖北武汉430074 中国科学院等离子体物理研究所安徽合肥230031

超纳米金刚石具有优异的物理和化学性质,化学气相沉积法制备超纳米金刚石膜近年来引起了该领域相关研究人员的极大关注。文章对超纳米金刚石与其他CVD金刚石的性质进行了对比,对超纳米金刚石的生长机理进行了简要概述,着重分析了各种化... 详细信息

超纳米金刚石具有优异的物理和化学性质,化学气相沉积法制备超纳米金刚石膜近年来引起了该领域相关研究人员的极大关注。文章对超纳米金刚石与其他CVD金刚石的性质进行了对比,对超纳米金刚石的生长机理进行了简要概述,着重分析了各种化学气相沉积技术制备超纳米金刚石的基本原理、特点及取得的研究成果,最后详细讨论了超纳米金刚石的应用和今后研究方向。

关键词：超纳米金刚石性质制备应用

不同氢浓度对超纳米金刚石膜结构及耐磨性影响的研究

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真空与低温 2014年第5期20卷 278-283,287页

作者：吕琳汪建华翁俊熊礼威张莹武汉工程大学材料科学与工程学院湖北省等离子体化学与新材料重点实验室湖北武汉430074 中国科学院等离子体物理研究所安徽合肥230031

采用微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD),通过在甲烷和氩气的混合反应气源中加入不同浓度的氢气,合成了超纳米金刚石薄膜(UNCD)。利用扫描电镜,拉曼光谱及X射线衍射对薄膜表面形貌,结构进行表征,结果显示,随着氢气浓度的减少,所得到... 详细信息

采用微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD),通过在甲烷和氩气的混合反应气源中加入不同浓度的氢气,合成了超纳米金刚石薄膜(UNCD)。利用扫描电镜,拉曼光谱及X射线衍射对薄膜表面形貌,结构进行表征,结果显示,随着氢气浓度的减少,所得到的超纳米金刚石膜的晶粒尺寸减小,金刚石相含量降低,金刚石膜逐步趋向于(111)面生长,并且还观察到以往在制备金刚石膜时从未出现的1 190 cm-1处拉曼峰。利用往复式摩擦磨损试验机对薄膜的耐磨性能进行测试,研究表明,超纳米金刚石硬度和弹性模量随氢气浓度减小而减小,薄膜的磨损率增大,但摩擦系数变化相对不明显。

关键词：微波等离子体化学气相沉积超纳米金刚石耐磨性

晶界处碳含量对超纳米金刚石的结构及电学性质影响的第一性原理计算

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西南科技大学学报 2016年第3期31卷 1-4页

作者：陈梦露易勇熊鹰王兵四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地四川绵阳621010

采用MedeA.软件中基于密度泛函理论(DFT)下的平面波赝势方法的VASP软件包进行模拟,计算了不同晶界处碳含量对超纳米金刚石电子特性和结构特性的影响。从对优化后的结构分析来看,晶界处碳含量的增加会增加超纳米金刚石中sp^2-C的含量,并... 详细信息

采用MedeA.软件中基于密度泛函理论(DFT)下的平面波赝势方法的VASP软件包进行模拟,计算了不同晶界处碳含量对超纳米金刚石电子特性和结构特性的影响。从对优化后的结构分析来看,晶界处碳含量的增加会增加超纳米金刚石中sp^2-C的含量,并且会使金刚石晶粒最外层的原子产生一定程度的位移或改变其键角。分析不同晶界处碳含量超纳米金刚石的能带发现,晶界碳含量的增加会减小结构的带隙,并且会在带隙里引入悬键能级和与sp^2-C相关的π*能级。对3个结构态密度的分析发现,晶界含量的增加不仅会减小结构的带隙,还会增加带隙里悬键能级和π*能级的能态密度,减小电子从低能级跃迁到高能级所需的能量,从而增加超纳米金刚石的导电性。

关键词：第一性原理超纳米金刚石晶界能带态密度

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掺氮超纳米金刚石薄膜制备及其电化学性能

西南科技大学学报 2017年第3期32卷 66-70页

作者：彭小兰邹佳秀李海宁王兵熊鹰西南科技大学材料科学与工程学院四川绵阳621010 西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地四川绵阳621010

针对掺氮超纳米金刚石(N-UNCD)制备过程中由于N2掺杂源的高活化能所致的氮原子有效掺入量低的问题,采用二乙胺同时作为碳源和氮源,通过微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)在硅基底上沉积N-UNCD膜。用扫描电镜、拉曼光谱和XRD对其表面形... 详细信息

针对掺氮超纳米金刚石(N-UNCD)制备过程中由于N2掺杂源的高活化能所致的氮原子有效掺入量低的问题,采用二乙胺同时作为碳源和氮源,通过微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)在硅基底上沉积N-UNCD膜。用扫描电镜、拉曼光谱和XRD对其表面形貌、组成结构等进行分析,并将制备的N-UNCD薄膜作为工作电极,考察薄膜电化学电容和对多巴胺的电化学检测性能。结果表明,使用二乙胺为反应源制备所得膜材为典型的N-UNCD薄膜,将其作为工作电极,循环伏安法和计时电流法测试电容值分别为42.1μF·cm^(-2)和32.2μF·cm^(-2);采用差分脉冲伏安法对多巴胺进行检测时,检测限可达0.88μM。

关键词：二乙胺超纳米金刚石 MPCVD 电化学电容

第一原理分子动力学研究超纳米金刚石(111)面的表面重构

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第一原理分子动力学研究超纳米金刚石(111)面的表面重构

Ni离子注入超纳米金刚石薄膜场发射性能研究

第十届全国计算(机)化学学术会议

作者：王丽莉万强胡文军赵晓平中国工程物理研究院计算机应用研究所中国工程物理研究院总体工程研究所

纳米金刚石薄膜的结构相变非常复杂,对其稳定性和物理性质又尤为重要。本文用第一性原理分子动力学模拟研究了超纳米金刚石薄膜的表面重构。研究对象是金刚石的截顶正八面体和金刚石C(111)-(21)表面,分别包括537个原子和360个原子。第... 详细信息

纳米金刚石薄膜的结构相变非常复杂,对其稳定性和物理性质又尤为重要。本文用第一性原理分子动力学模拟研究了超纳米金刚石薄膜的表面重构。研究对象是金刚石的截顶正八面体和金刚石C(111)-(21)表面,分别包括537个原子和360个原子。第一原理计算采用赝势平面波方法和密度泛函理论(DFT)计算,电子交换相关能采用广义梯度近似(GGA)来描述,这种方法被认为可以正确预测半导体带隙与尺寸的关系。经过计算发现,金刚石的截顶正八面体内部结构保持金刚石芯,重构表面形成类富勒烯结构,类似碳纳米管的帽端,有利于电子聚集以及隧道效应的产生;金刚石(111)-(21)表层形成石墨片层平滑表面,随着温度升高,金刚石-石墨之间的键长逐渐拉长,然后通过z方向金刚石键的高度关联断裂自发石墨化。本研究再现了金刚石(111)表面结构转化的过程,研究结果与金刚石的热行为实验吻合。局域态密度(LDOS)分析证实化学反应出现在表面区域,表面悬挂键在氢原子化学吸附位中扮演重要角色。

关键词：超纳米金刚石表面重构第一性原理

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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Ni离子注入超纳米金刚石薄膜场发射性能研究

作者：王垚太原理工大学

学位级别：硕士

超纳米金刚石（UNCD）具有细小的晶粒尺寸及高导电性能,在冷阴极场发射器件领域有着极大的应用潜力。离子注入是一种有效提升金刚石薄膜导电性能的表面改性技术,退火处理后可以使得金刚石薄膜的电学性能进一步得到改善。本文首先在不同... 详细信息

超纳米金刚石（UNCD）具有细小的晶粒尺寸及高导电性能,在冷阴极场发射器件领域有着极大的应用潜力。离子注入是一种有效提升金刚石薄膜导电性能的表面改性技术,退火处理后可以使得金刚石薄膜的电学性能进一步得到改善。本文首先在不同气氛下进行了超纳米金刚石薄膜的制备,分析不同气氛下及100 keV、1.0× 1017ions/cm2的Ni离子注入后薄膜场发射性能的变化情况。其次,采用不同退火方式及退火温度进行退火处理,探索能够增强UNCD薄膜电学性能的最佳工艺。在UNCD薄膜表面形成大量的sp2碳键结构及Ni纳米颗粒（Ni NPs）的析出为电子释放提供了有效的路径,此外石墨烯的出现增强了薄膜的局域电场,导致电子释放能力增强。本文采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射仪及拉曼光谱仪对薄膜进行微结构表征,并采用霍尔效应及高真空场发射测试来进行薄膜的电学性能表征,从而系统的研究了导致UNCD薄膜微结构及场发射性能变化的关键因素。主要的研究结果如下:（1）采用不同气氛（CH4/H2/O2/N2及CH4/H2/O2）下进行UNCD薄膜的制备,探究不同气氛下及Ni离子注入后对UNCD薄膜场发射性能的影响。结果显示:在含有N2环境下制备的UNCD薄膜与无N2环境下制备的UNCD薄膜相比,晶粒尺寸更加细小,相应的晶界比例更高,石墨化程度更高,场发射性能更优。Ni离子注入后,无N2气氛下所制备的UNCD薄膜表面“松林”状结构生成及含N2气氛下所制备的UNCD薄膜表面网状结构,两种新形貌的形成为电子的释放提供了有效运输路径,使电子释放能力增强,场发射性能优化。但结果证实,这种网状结构的形成,更有利于电子的释放。（2）将Ni离子注入后的未含N2环境制备的UNCD薄膜在Ar/H2气氛中分别进行了 400℃-900℃温度跨度为100℃的普通退火处理（CTA）,保温30 min,系统研究了不同退火温度下对UNCD薄膜微观结构及电学性能的影响。研究发现,经退火后薄膜表面Ni NPs析出。随退火温度的上升,析出Ni NPs团聚后逐步对金刚石进行催化,当温度达到700℃时,薄膜表面有小片状的石墨烯生成,石墨化程度最强。此结构为电子迁移提供有效路径,使得薄膜导电性达到最佳。即开启电场降为最小（E0=3.09 V/μm）,在4.00 V/μm的电场强度下获得了 349.66 μA/cm2的电流密度,薄膜电阻率降到最低0.128Ω/sq,并具有最高的载流子浓度（2.788×1027 cm-3）及霍尔迁移率（235.7 cm2V-1s-1）。当退火温度过高时,薄膜表面孔状结构产生,导致电子运输路径被阻断,电学性能有所降低。（3）将Ni离子注入后的未含N2环境制备的UNCD薄膜在Ar/H2气氛中分别进行了 400℃-900℃温度跨度为100℃的快速退火处理（RTA）,保温30 min,系统研究了不同退火温度下对UNCD薄膜微观结构及电学性能的影响。结果显示,通过快速处理的薄膜样品比普通退火薄膜样品的场发射性能更优。经过700℃退火的薄膜,Ni离子对于UNCD薄膜的催化效果最佳,使得UNCD薄膜表面出现了大量的片层状石墨烯结构,而这些石墨烯片的电子十分活跃,更容易以较低的额外能量从表面发射。此外,石墨烯边缘产生了一定的局域电场,有效提升了 UNCD薄膜的场发射性能,开启电场仅为2.72 V/μm,并且在4.68 V/μm的电场强度下获得了 441.93 μA/cm2的极高电流密度,薄膜电阻率降到最低0.128 Ω/sq,并具有最高的载流子浓度（2.788×1027 cm-3）及霍尔迁移率（235.7 cm2V-1s-1）。当快速退火温度继续上升,Ni离子的选择性催化导致薄膜表面的片状石墨烯结构消失,并伴随大量孔状石墨烯结构的生成,引起场发射性能降低。

关键词：离子注入超纳米金刚石场发射普通退火快速退火