电子辐照及离子注入对单晶金刚石光电性能的影响与机制
发布时间：2021-09-29 19:41
金刚石中的氮空位色心（NV色心）因其独特的光/电磁特征和优异的电子学性质,使其在弱磁场等精密物理量的测量以及下一代电子器件有着可观的应用前景。无论是在下一代电子器件还是NV色心应用中,离子注入/辐照都是调控其性能的关键技术。本文分别以光学级和电子级单晶金刚石为对象,通过电子辐照、N、O、S离子注入,系统研究单晶金刚石的光/电性能演化规律,揭示单晶金刚石材料离子注入导致的结构损伤效应及其性能演化机制。经170 ke V、1×1016 cm-2电子辐照后,光学级金刚石光学透过率明显下降,但辐照对光学吸收边没有影响,同时电子辐照会促进NV-向NV0转化,原因在于其会优先破坏NV-色心,使其电离出自由电子,转变为NV0。经150 ke V N离子注入,光学级金刚石内产生的显著的位移损伤效应和N的掺杂效应导致金刚石光学性能不断退化。辐照注量增加值2×1016 cm-2时,材料光学透过率下降至零,金刚石完全石墨化。N注量为1×1011 cm-2时,注入的位移效应破坏了金刚石中原有的NV色心缺陷结构,使得NV0和NV-色心的相对强度都下降,而N离子的注量为1×1014 cm-2时,NV0和NV-色心...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金刚石结构示意图[3]
嘉?.8×104m/s，在众多的声波传递介质中，金刚石是声表面波传播速率最快的材料，大约为Al2O3的6倍以上，而且高的弹性模量会减少声音传播过程中的损耗，这些品质使其能够成为很好的扬声器和高频声学传感器（能达到70kHz）从而产生独一无二的饱满的真实音质[6]。（5）光学性质金刚石薄膜在光学性能方面的表现同样优异，高纯度金刚石的透射率不受波段范围的限制，除了在3-5μm波段内存在由于声子振动导致的微小吸收峰[7]，在整个波段都有着极高的光学透过率（紫外波段~微波波段），理论光学透过率可达到71%左右。如图1-2为光学级金刚石膜透过率曲线。图1-2光学级金刚石膜透过率曲线[8]复杂的工作环境对光学镜头的保护膜提出了极高的要求，金刚石是一种兼具透光性、优异的力学性能和化学惰性完美材料，比普通材料更能适应极端恶劣环境，是极佳的光学透镜保护膜制作材料候眩这使其在制作防腐耐磨红外光学窗口、大功率红外激光器窗口以及空间探测器窗口方面有着广泛的应用。（6）电学性质作为超宽禁带（禁带宽度＞4.5eV）半导体材料的一员，金刚石优异的电学性能体现在超高的禁带宽度（Eg=5.5eV）、较高的载流子迁移率和较髙的击穿电场等，表1-1为金刚石和几种常用的半导体材料的电学参数对比。金刚石禁带宽度高达5.5eV，这使得金刚石材料相对于Si和GaAs材料来说拥有极好的抗辐照性能，可以作为空间高能粒子探测器的理想选择材料。金刚石击穿电压也远高于比Si和GaAs，空穴以及电子迁移率也较高，尤其是它的空穴
哈尔滨工业大学硕士学位论文4迀移率远高于普通半导体材料（Si和GaAs），作为集成电路基体材料将大幅度提高电路运行速率。金刚石的介电常数仅为硅的二分之一左右，这决定了金刚石同样可以作为一种性能优异的半导体材料，可以制成高频大功率半导体器件以及集成电路，比传统的半导体更能适应高温、强辐射等恶劣的工作环境。目前学者们已制作出基于金刚石材料的MOS晶体管、场效应器件和肖特基器件等[9]。表1-1金刚石与其他常见半导体材料电学性能对比SiGaAsa-GaN4H-SiC6H-SiC金刚石禁带宽度（eV）1.11.43.43.33.05.5带隙特点间接直接直接间接间接间接介电常数11.812.58.99.79.75.7电子迁移率(cm2/Vs)1400850020009004502200空穴迁移率(cm2/Vs)600400100100501800击穿电压(×105V/cm)3.04.040202050~200热导率(W/cm·K)1.50.461.33.33.520饱和电子漂移速率（×107cm/s）1.01.32.22.52.52.71.2.2金刚石的应用及发展方向（1）电化学和超导材料的研究与应用B原子掺杂的p型金刚石在电化学和超导材料领域有着广泛的研究和应用。B掺杂金刚石薄膜（以下简称BDD）电极具有宽的电化学势窗和良好的可逆性，可以应用在重金属离子检测和有机物降解等电化学领域，其反应机理如图1-3所示[10]。李春燕等人[11]测得BDD薄膜电极电化学势窗约为3.7V，大于绝大部分有机物的氧化分解电位，说明绝大多数的有机污染物都可以在BDD电极上被直接氧化分解的。图1-3BDD电极电化学氧化还原机理示意图[10]
【参考文献】：
期刊论文
[1]NV色心浓度与退火温度的Boltzmann模型[J]. 王知权,王宇,李想,倪铭颢,陈晔,李波. 人工晶体学报. 2019(05)
[2]基于拉曼光谱和模式识别算法的软玉产地鉴别[J]. 徐荟迪,林露璐,李征,黄梅珍,周征宇. 光学学报. 2019(03)
[3]硼掺杂对单晶金刚石薄膜结构及生长的影响[J]. 陈孟杰,李海宁,王兵,熊鹰,冯真,程永朋. 稀有金属. 2018(12)
[4]用于空间辐射环境探测的金刚石探测器研究综述[J]. 王仕发,李丹明,肖玉华,杨震春,李居平,郝剑,杨长青. 材料导报. 2018(09)
[5]金刚石半导体材料和器件的研究现状[J]. 陈亚男,张烨,郁万成,龚猛,杨霏,刘瑞,王嘉铭,李玲,金鹏,王占国. 微纳电子技术. 2017(04)
[6]N型半导体金刚石的研究现状与展望[J]. 李尚升,许安涛,王生艳,刘书强,于昆鹏,王健康,韩飞. 人工晶体学报. 2016(11)
[7]金刚石自支撑膜拉曼光谱1420cm-1特征峰研究[J]. 朱瑞华,刘金龙,陈良贤,魏俊俊,黑立富,李成明. 人工晶体学报. 2015(04)
[8]金刚石中GR1中心的光致发光特性研究[J]. 王凯悦,李志宏,田玉明,朱玉梅,赵媛媛,柴跃生. 物理学报. 2013(06)
[9]单晶金刚石制备研究进展[J]. 周祥,汪建华,熊礼威,李伟. 硬质合金. 2012(03)
[10]CVD金刚石应用前景探讨[J]. 谈耀麟. 超硬材料工程. 2009(04)
博士论文
[1]铜/金刚石复合材料的界面结构与导热性能[D]. 王鲁华.北京科技大学 2019
[2]金刚石薄膜及异质结的生长与性质研究[D]. 沈洋.南京大学 2019
[3]金刚石表面处理对浅层NV中心自旋相干性影响[D]. 张文龙.中国科学技术大学 2019
[4]金刚石中NV色心的温度特性研究[D]. 李聪丛.中国科学技术大学 2017
[5]基于金刚石氮-空位色心探针的室温单分子磁共振[D]. 张琪.中国科学技术大学 2017
[6]金刚石中NV色心光致变色的研究[D]. 陈向东.中国科学技术大学 2014
[7]光致发光光谱研究电子辐照金刚石的光学中心[D]. 王凯悦.天津大学 2012
[8]大尺寸高质量金刚石厚膜制备及氮掺杂对金刚石膜生长的影响研究[D]. 李明吉.吉林大学 2006
硕士论文
[1]单晶金刚石同质外延生长的应力研究[D]. 宋修曦.武汉工程大学 2018
[2]固态自旋系综NV色心集成磁强计关键技术研究[D]. 张少文.中北大学 2018
[3]Cu离子注入微米金刚石膜的场发射性能研究[D]. 祁婷.太原理工大学 2017
[4]掺硼金刚石薄膜的制备、修饰及应用性能研究[D]. 席耀辉.郑州大学 2017
[5]CVD同质外延单晶金刚石的研究[D]. 吴超.武汉工程大学 2016
[6]纳米金刚石NV色心的制备与荧光增强[D]. 翟陈婷.中北大学 2016
本文编号：3414352
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
金刚石结构示意图[3]
嘉?.8×104m/s，在众多的声波传递介质中，金刚石是声表面波传播速率最快的材料，大约为Al2O3的6倍以上，而且高的弹性模量会减少声音传播过程中的损耗，这些品质使其能够成为很好的扬声器和高频声学传感器（能达到70kHz）从而产生独一无二的饱满的真实音质[6]。（5）光学性质金刚石薄膜在光学性能方面的表现同样优异，高纯度金刚石的透射率不受波段范围的限制，除了在3-5μm波段内存在由于声子振动导致的微小吸收峰[7]，在整个波段都有着极高的光学透过率（紫外波段~微波波段），理论光学透过率可达到71%左右。如图1-2为光学级金刚石膜透过率曲线。图1-2光学级金刚石膜透过率曲线[8]复杂的工作环境对光学镜头的保护膜提出了极高的要求，金刚石是一种兼具透光性、优异的力学性能和化学惰性完美材料，比普通材料更能适应极端恶劣环境，是极佳的光学透镜保护膜制作材料候眩这使其在制作防腐耐磨红外光学窗口、大功率红外激光器窗口以及空间探测器窗口方面有着广泛的应用。（6）电学性质作为超宽禁带（禁带宽度＞4.5eV）半导体材料的一员，金刚石优异的电学性能体现在超高的禁带宽度（Eg=5.5eV）、较高的载流子迁移率和较髙的击穿电场等，表1-1为金刚石和几种常用的半导体材料的电学参数对比。金刚石禁带宽度高达5.5eV，这使得金刚石材料相对于Si和GaAs材料来说拥有极好的抗辐照性能，可以作为空间高能粒子探测器的理想选择材料。金刚石击穿电压也远高于比Si和GaAs，空穴以及电子迁移率也较高，尤其是它的空穴
哈尔滨工业大学硕士学位论文4迀移率远高于普通半导体材料（Si和GaAs），作为集成电路基体材料将大幅度提高电路运行速率。金刚石的介电常数仅为硅的二分之一左右，这决定了金刚石同样可以作为一种性能优异的半导体材料，可以制成高频大功率半导体器件以及集成电路，比传统的半导体更能适应高温、强辐射等恶劣的工作环境。目前学者们已制作出基于金刚石材料的MOS晶体管、场效应器件和肖特基器件等[9]。表1-1金刚石与其他常见半导体材料电学性能对比SiGaAsa-GaN4H-SiC6H-SiC金刚石禁带宽度（eV）1.11.43.43.33.05.5带隙特点间接直接直接间接间接间接介电常数11.812.58.99.79.75.7电子迁移率(cm2/Vs)1400850020009004502200空穴迁移率(cm2/Vs)600400100100501800击穿电压(×105V/cm)3.04.040202050~200热导率(W/cm·K)1.50.461.33.33.520饱和电子漂移速率（×107cm/s）1.01.32.22.52.52.71.2.2金刚石的应用及发展方向（1）电化学和超导材料的研究与应用B原子掺杂的p型金刚石在电化学和超导材料领域有着广泛的研究和应用。B掺杂金刚石薄膜（以下简称BDD）电极具有宽的电化学势窗和良好的可逆性，可以应用在重金属离子检测和有机物降解等电化学领域，其反应机理如图1-3所示[10]。李春燕等人[11]测得BDD薄膜电极电化学势窗约为3.7V，大于绝大部分有机物的氧化分解电位，说明绝大多数的有机污染物都可以在BDD电极上被直接氧化分解的。图1-3BDD电极电化学氧化还原机理示意图[10]
【参考文献】：
期刊论文
[1]NV色心浓度与退火温度的Boltzmann模型[J]. 王知权,王宇,李想,倪铭颢,陈晔,李波. 人工晶体学报. 2019(05)
[2]基于拉曼光谱和模式识别算法的软玉产地鉴别[J]. 徐荟迪,林露璐,李征,黄梅珍,周征宇. 光学学报. 2019(03)
[3]硼掺杂对单晶金刚石薄膜结构及生长的影响[J]. 陈孟杰,李海宁,王兵,熊鹰,冯真,程永朋. 稀有金属. 2018(12)
[4]用于空间辐射环境探测的金刚石探测器研究综述[J]. 王仕发,李丹明,肖玉华,杨震春,李居平,郝剑,杨长青. 材料导报. 2018(09)
[5]金刚石半导体材料和器件的研究现状[J]. 陈亚男,张烨,郁万成,龚猛,杨霏,刘瑞,王嘉铭,李玲,金鹏,王占国. 微纳电子技术. 2017(04)
[6]N型半导体金刚石的研究现状与展望[J]. 李尚升,许安涛,王生艳,刘书强,于昆鹏,王健康,韩飞. 人工晶体学报. 2016(11)
[7]金刚石自支撑膜拉曼光谱1420cm-1特征峰研究[J]. 朱瑞华,刘金龙,陈良贤,魏俊俊,黑立富,李成明. 人工晶体学报. 2015(04)
[8]金刚石中GR1中心的光致发光特性研究[J]. 王凯悦,李志宏,田玉明,朱玉梅,赵媛媛,柴跃生. 物理学报. 2013(06)
[9]单晶金刚石制备研究进展[J]. 周祥,汪建华,熊礼威,李伟. 硬质合金. 2012(03)
[10]CVD金刚石应用前景探讨[J]. 谈耀麟. 超硬材料工程. 2009(04)
博士论文
[1]铜/金刚石复合材料的界面结构与导热性能[D]. 王鲁华.北京科技大学 2019
[2]金刚石薄膜及异质结的生长与性质研究[D]. 沈洋.南京大学 2019
[3]金刚石表面处理对浅层NV中心自旋相干性影响[D]. 张文龙.中国科学技术大学 2019
[4]金刚石中NV色心的温度特性研究[D]. 李聪丛.中国科学技术大学 2017
[5]基于金刚石氮-空位色心探针的室温单分子磁共振[D]. 张琪.中国科学技术大学 2017
[6]金刚石中NV色心光致变色的研究[D]. 陈向东.中国科学技术大学 2014
[7]光致发光光谱研究电子辐照金刚石的光学中心[D]. 王凯悦.天津大学 2012
[8]大尺寸高质量金刚石厚膜制备及氮掺杂对金刚石膜生长的影响研究[D]. 李明吉.吉林大学 2006
硕士论文
[1]单晶金刚石同质外延生长的应力研究[D]. 宋修曦.武汉工程大学 2018
[2]固态自旋系综NV色心集成磁强计关键技术研究[D]. 张少文.中北大学 2018
[3]Cu离子注入微米金刚石膜的场发射性能研究[D]. 祁婷.太原理工大学 2017
[4]掺硼金刚石薄膜的制备、修饰及应用性能研究[D]. 席耀辉.郑州大学 2017
[5]CVD同质外延单晶金刚石的研究[D]. 吴超.武汉工程大学 2016
[6]纳米金刚石NV色心的制备与荧光增强[D]. 翟陈婷.中北大学 2016
本文编号：3414352
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