Исследование микроструктуры ультрананокристаллических алмазных плёнок оптическими методами

• Автор: Канзюба, Михаил Викторович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Оглавление

Список сокращений

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Алмазные материалы

1.1.1 Методы получения синтетических алмазов

1.2. Метод CVD

1.2.1. Роль водорода

1.2.2. Схематическое описание роста алмаза

1.3. Легирование CVD-алмазов

1.3.1. Особенности легирования CVD-наноалмазов
1.4 Ультрананокристаллические алмазные (УНКА) плёнки
1.4.1. Особенности CVD-синтеза
1.4.2. Азотирование
1.4.3. Микроструктура
1.4.4. Оптические свойства
1.4.5. Электрические свойства
1.5. Спектроскопия комбинационного рассеяния в алмазе
1.6. Люминесценция алмазов
1.6.1. Центры «азот-вакансия» в алмазе
1.6.2. Центры «кремний-вакансия» в алмазе
1.7. Свойства поверхности алмаза
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Постановка задач
2.2. Объекты исследования
2.3. Методика подготовки образцов с развитой поверхностью
2.4. Оптические методы исследования
2.4.1. Спектроскопия КР
2.4.2. Спектроскопия ФЛ и поглощения в видимом диапазоне
2.4.3. Спектроскопия поглощения в ИК диапазоне
Глава 3. Исследование фазового состава УНКА плёнок методом многоволновой спектроскопии КР
3.1. Алмазная фаза

3.2. Полимерная фаза на границах алмазных зёрен
3.3. 8р2-углерод на границах алмазных зёрен
Глава 4. Моделирование перехода диэлектрик-проводник в азотированных УНКА плёнках
4.1. Исследование микроструктурных изменений в УНКА плёнках при азотировании
4.1.1. Структура азотированных УНКА плёнок по данным электронной микроскопии
4.1.2. Структура УНКА плёнок по данным МУРР
4.2. Перколяционная модель проводимости азотированных УНКА плёнок85
Глава 5. Исследование фотолюминесценции УНКА плёнок, легированных кремнием
5.1. Сравнительный анализ спектров ФЛ УНКА и МКА плёнок
5.2. Определение концентрации центров «кремний-вакансия» в УНКА методом спектроскопии оптического поглощения
Глава 6. Исследование состояния поверхности алмаза в пористых УНКА плёнках методом спектроскопии ИК поглощения
6.1. Изменения функциональных групп на поверхности алмаза в пористых УНКА плёнках при отжигах и восстановлении в нормальных условиях
6.1.1. Гидридные группы
6.1.2. Гидроксильные группы
6.1.3. Карбонильные группы
6.2. Механизм изменения функционального покрова на поверхности алмаза в пористых УНКА плёнках при восстановлении в нормальных условиях
Выводы
Список используемой литературы
Приложение 1. Исходный код программы для расчёта проводимости УНКА в зависимости от содержания азота в газовой смеси в рамках перколяционной модели

Список сокращений
CVD chemical vapor deposition
DFTB density functional tight binding
HFCVD hot filament CVD
HPHT high pressure, high temperature
MPCVD microwave plasma CVD
SIMS secondary ion mass spectroscopy
ACM атомно-силовая микроскопия
ДЭФПУ двухэкспонентное феноменологическое перколяционное уравнение
KJI катодолюминесценция
КР комбинационное рассеяние
МКА микрокристаллический алмаз
МУРР малоугловое рентгеновское рассеяние
ПА полиацетилен
ПЗС прибор с зарядовой связью
ПЭМ просвечивающая электронная микроскопия
РЭМ растровая электронная микроскопия
УДА ультрадисперсный алмаз
УНКА ультрананокристаллический алмаз
ФЛ фотолюминесценция

состояниях (деформация и обрыв межатомных связей, переход атомов в эр2-гибридизованное состояние). Моделирование проводится на основе теории функционала электронной плотности в предположении сильной связи (ОРТВ). В соответствии с расчётами методом ОРТВ, межкристаллитные атомы С в дефектных состояниях, имеющие оборванные связи и л-электроны, вызывают появление слабо локализованных электронных состояний в запрещённой зоне алмаза [50,51]. Кроме того, увеличение концентрации азота может приводить к полуметаллическому поведению вследствие увеличения связности эр2-углеродной фазы и большей делокализации л*-состояний. Подобный механизм проводимости рассмотрен в работе [52] в применении к тетраэдрическому аморфному углероду.
Практически противоположный результат дают расчёты методом ОРТВ, выполненные другой группой исследователей [53]. Согласно их расчётам, встраивание азота в межкристаллитные границы приводит к образованию комплексов типа «азот-углерод с оборванной связью» и «азот-углерод с 71-связью», которые являются дефектами акцепторного типа, электронная же проводимость в УНКА плёнках обеспечивается образованием мелких донорных комплексов «азот-вакансия».
В [54] было высказано предположение, что азот стимулирует появление перколяционных путей в межкристаллитных областях, что способствует увеличению проводимости азотированных УНКА плёнок, однако количественная модель такого увеличения проводимости предложена не была.
В целом, предлагаемые в литературе подходы к объяснению высокой проводимости азотированных УНКА плёнок через легирование азотом межкристаллитных границ носят качественный характер, так как не позволяют оценить эффективность такого легирования, а также эффективность формирования дефектов со слабо локализованными электронами.
В диссертационной работе ставились задачи исследования и анализа изменений в микроструктуре УНКА плёнок, выращенных в различных