磁控溅射法制备六方氮化硼薄膜及其原位掺杂的研究
发布时间：2021-09-28 12:27
六方氮化硼（hBN）是一种人工合成的宽禁带半导体材料,禁带宽度达到了6eV,属于准直接带隙材料。其具有许多优异的物理和化学性质,并且,由于它与石墨烯的晶格十分匹配（失配率小于1.7%）,因而被认为是制备石墨烯的最佳的衬底材料,很有希望在石墨烯电子器件领域发挥重要作用。但是由于hBN的制备条件十分苛刻,要获得结晶质量好、大尺寸的薄膜材料仍十分困难;并且由于hBN材料的本征电阻率非常高,限制了其在微电子和光电子学领域的应用。因此如何提高hBN材料的结晶质量和稳定性、对hBN材料进行电学性质的调控显得尤为重要,针对以上两个方面,本论文研究了生长气氛对hBN薄膜质量的影响以及hBN薄膜的原位掺杂,取得的主要研究结果如下:1.研究了工作气氛对hBN薄膜质量的影响,采用射频磁控溅射技术,分别以纯氩（Ar）气和氩/氮（Ar/N2）混合比为1:1的工作气氛制备hBN薄膜,X射线光电子能谱（XPS）的表征结果发现在纯Ar气氛中制备的薄膜存在大量氮（N）空位,硼/氮（B/N）比约为2:1,薄膜中多余的B原子会与空气中的O原子结合导致大量硼氧化合物产生,使得薄膜不稳定。而在混合气氛中制...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp3杂化的(a)cBN、(b)wBN和(c)BN分子结构示意图
第一章 绪论wBN 属于六方晶系，为纤锌矿结构，如图 1.1(b)所示，晶格常数为 a=0.255nm，c=0.422nm。wBN 与 cBN 有相似的物理和化学性质，硬度在 BN 的几种同分异构体中仅次于 cBN。cBN 和 wBN 的合成方式有所不同，cBN 可以在高温高压下由hBN 相转变得到，而 wBN 是用 hBN 为原料，在冲击波的条件下获得。hBN 和 rBN 都属于 sp2杂化的层状结构，每一原子层都是由 N 原子和 B 原子交替排列组成的正六边形蜂巢结构，层与层之间通过范德瓦尔斯力相结合，其晶体结构如图 1.2 所示。在原子层内有很强的 B-N 共价键，键角为 120°，键长为0.1446nm，面内晶格常数 a=0.2505nm。由图 1.2(a)可知，hBN 中，沿着 c 轴方向以 ABABAB…方式堆叠而成，属于六方晶系，晶格常数 c=0.6661nm。由于层与层之间的作用力为很弱的范德瓦尔斯力，导致 hBN 的层间非常易于滑动，与石墨类似，因此，hBN 也常用于润滑剂。
它的优点是：成膜速度快、生长温度低、膜的结合力好、装置操作简单、性能稳定。磁控溅射的原理图如图2.1 所示，通常使用 Ar 作为工作气体，Ar 在很强的电场下会电离成 Ar+和电子，电子在电场和磁场的同时作用下，会以摆线的轨迹运动，增加了电子和带电粒子以及气体分子的碰撞几率，提高了气体离化率，降低工作气压，而 Ar+在强电场作用下，会与靶材发生撞击，使得靶材表面的原子逸出，运动到基底上的靶材原子会沉积在基底上从而形成薄膜[40-44]。图 2.1 磁控溅射原理图磁控溅射包括直流溅射和射频溅射，直流溅射技术可以使用导体和高掺杂的半导体材料作为靶材，溅射速率很高，但是在溅射绝缘材料时，会出现阳极消失、阴极中毒、放电打弧等问题，导致溅射很难控制，进而影响到了系统的稳定性和薄膜的质量。解决这个问题的方法就是使用射频磁控溅射技术，就是在靶材和基底之间加一个矩形波电压，相当于在溅射过程中有一个电容的充放电过程，以此
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁控溅射技术及其发展[J]. 李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 真空电子技术. 2011(03)
[2]Influence of oxygen on the growth of cubic boron nitride thin films by plasma-enhanced chemical vapour deposition[J]. 杨杭生,聂安民,邱发敏. Chinese Physics B. 2010(01)
[3]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[4]X射线光电子能谱[J]. 郭沁林. 物理. 2007(05)
[5]X射线光电子能谱的应用介绍[J]. 文美兰. 化工时刊. 2006(08)
[6]磁控溅射技术进展及应用(下)[J]. 徐万劲. 现代仪器. 2005(06)
[7]磁控溅射原理的深入探讨[J]. 赵嘉学,童洪辉. 真空. 2004(04)
[8]磁控溅射技术新进展及应用[J]. 张继成,吴卫东,许华,唐晓红. 材料导报. 2004(04)
[9]X射线光电子能谱（XPS）[J]. 俞宏坤. 上海计量测试. 2003(04)
[10]六方氮化硼的振动光谱与立方氮化硼的合成[J]. 邱淑蓁,李伯勋,张兴栋. 高压物理学报. 1990(01)
博士论文
[1]氮化锌粉末和薄膜的制备及特性研究[D]. 宗福建.山东大学 2005
硕士论文
[1]氮化镁粉末的制备及性质研究[D]. 孟春站.山东大学 2009
本文编号：3411895
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
sp3杂化的(a)cBN、(b)wBN和(c)BN分子结构示意图
第一章 绪论wBN 属于六方晶系，为纤锌矿结构，如图 1.1(b)所示，晶格常数为 a=0.255nm，c=0.422nm。wBN 与 cBN 有相似的物理和化学性质，硬度在 BN 的几种同分异构体中仅次于 cBN。cBN 和 wBN 的合成方式有所不同，cBN 可以在高温高压下由hBN 相转变得到，而 wBN 是用 hBN 为原料，在冲击波的条件下获得。hBN 和 rBN 都属于 sp2杂化的层状结构，每一原子层都是由 N 原子和 B 原子交替排列组成的正六边形蜂巢结构，层与层之间通过范德瓦尔斯力相结合，其晶体结构如图 1.2 所示。在原子层内有很强的 B-N 共价键，键角为 120°，键长为0.1446nm，面内晶格常数 a=0.2505nm。由图 1.2(a)可知，hBN 中，沿着 c 轴方向以 ABABAB…方式堆叠而成，属于六方晶系，晶格常数 c=0.6661nm。由于层与层之间的作用力为很弱的范德瓦尔斯力，导致 hBN 的层间非常易于滑动，与石墨类似，因此，hBN 也常用于润滑剂。
它的优点是：成膜速度快、生长温度低、膜的结合力好、装置操作简单、性能稳定。磁控溅射的原理图如图2.1 所示，通常使用 Ar 作为工作气体，Ar 在很强的电场下会电离成 Ar+和电子，电子在电场和磁场的同时作用下，会以摆线的轨迹运动，增加了电子和带电粒子以及气体分子的碰撞几率，提高了气体离化率，降低工作气压，而 Ar+在强电场作用下，会与靶材发生撞击，使得靶材表面的原子逸出，运动到基底上的靶材原子会沉积在基底上从而形成薄膜[40-44]。图 2.1 磁控溅射原理图磁控溅射包括直流溅射和射频溅射，直流溅射技术可以使用导体和高掺杂的半导体材料作为靶材，溅射速率很高，但是在溅射绝缘材料时，会出现阳极消失、阴极中毒、放电打弧等问题，导致溅射很难控制，进而影响到了系统的稳定性和薄膜的质量。解决这个问题的方法就是使用射频磁控溅射技术，就是在靶材和基底之间加一个矩形波电压，相当于在溅射过程中有一个电容的充放电过程，以此
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁控溅射技术及其发展[J]. 李芬,朱颖,李刘合,卢求元,朱剑豪. 真空电子技术. 2011(03)
[2]Influence of oxygen on the growth of cubic boron nitride thin films by plasma-enhanced chemical vapour deposition[J]. 杨杭生,聂安民,邱发敏. Chinese Physics B. 2010(01)
[3]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[4]X射线光电子能谱[J]. 郭沁林. 物理. 2007(05)
[5]X射线光电子能谱的应用介绍[J]. 文美兰. 化工时刊. 2006(08)
[6]磁控溅射技术进展及应用(下)[J]. 徐万劲. 现代仪器. 2005(06)
[7]磁控溅射原理的深入探讨[J]. 赵嘉学,童洪辉. 真空. 2004(04)
[8]磁控溅射技术新进展及应用[J]. 张继成,吴卫东,许华,唐晓红. 材料导报. 2004(04)
[9]X射线光电子能谱（XPS）[J]. 俞宏坤. 上海计量测试. 2003(04)
[10]六方氮化硼的振动光谱与立方氮化硼的合成[J]. 邱淑蓁,李伯勋,张兴栋. 高压物理学报. 1990(01)
博士论文
[1]氮化锌粉末和薄膜的制备及特性研究[D]. 宗福建.山东大学 2005
硕士论文
[1]氮化镁粉末的制备及性质研究[D]. 孟春站.山东大学 2009
本文编号：3411895
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