金刚石薄膜的核化机制及应用的分析.pdf

重庆大学博士论文 摘要 摘 要 化学气相沉积制备金刚石薄膜关键的一步是金刚石的核化。由于金刚石与 衬底之间具有较大的晶格失配度和高的表面能差，金刚石在镜面光滑的衬底表 面上难以成核，成核率极低。自从S．Yugo等利用负村底偏压在镜面光滑的si 衬底上实现了高密度的金刚石核化之后，国内外许多学者对负衬底偏压增强金 刚石的核化进行了广泛的研究。然而．对负村底偏压增强金刚石核化的机制至 今仍不是十分清楚．． 本文首次利用实验和理论相结合的方法较系统和深入地研究了负衬底偏压 增强热灯丝化学气相沉积金刚石薄膜的核化过程。储果表明负村底偏压在金刚 石薄膜的核化过程中起到了如下的作用：(1)增大了反应气体的电离度；(2) 增强了到达衬底表面活性离子的流量；(3)在负衬底偏压作用下离子的轰击导 致了衬底表面形貌的变化和降低了金刚石核的形成能：(4)离子的轰击导致衬 底表面温度的升高从而增强了活性离子在衬底表面上的扩散；(5)离子在负村 底偏压的作用下对衬底表面的轰击增强了金刚石核与衬底之间的结合强度．t 第一次研究了负偏压增强金刚石薄膜与衬底之间的结合力问题和衬底碳化 物在金刚石的核化过程中对含碳粒子的凝聚作用． 从理论上最先给出了活性离子数、金刚石核的形成能、衬底表面温度、扩 散系数以及金刚石核与村底之间的结合强度同负衬底偏压之间的解析函数关 系，其结果与实验结果一致． 金刚石薄膜的场电子发射研究结果表明高浓度CH4形成的金刚石薄膜比低 浓度CH．形成的金刚石薄膜表现出较好的场发射性能．通过分析金刚石薄膜的 结构，提出了缺陷增强金刚石薄膜内的电场。石墨增强电子的隧穿以增强CVD 金刚石薄膜场发射的机制．并计算了金刚石薄膜场发射的电流密度和用该机制 解释了一些实验现象． 最后，对研究结果的应用前景进行了展望以及提出了需要进一步研究的问 题。 关键词：负衬底偏压；衬底碳化物；凝聚；核化；凹坑；缺陷；粘附力：石墨 场发射 重庆大学博士论文 Abstract Abstract Inthe of diamondfilmschemical processsynthesizing by vapordeposition，a isdiamond nucleatesona critical nucleation．Diamond step hardly mirror·polished the and substratesurface toa latticemismatchbetweendiamond owing larger S． anda ofdiamondrelativetosubstrate．Since substrate surface higher energy a aSi with that on substrate etalrealizeddiamond nucleated