硼氮共掺杂金刚石的高温高压合成与杂质行为研究

发布时间：2020-11-07 13:54

　　 金刚石是一种用途广泛的极限功能材料,具备最大硬度,最高热导率和最宽透光波段等优异的物理性质,在工业、勘探、国防和医疗卫生等领域有着颇高的应用价值。由于金刚石中的硼杂质是一种浅能级受主,激活能为0.37e V,所以硼掺杂金刚石是一种良好的p型半导体材料。然而,截至目前,人们依然无法合成出有效的n型半导体金刚石材料,这是金刚石在半导体应用领域最主要的限制之一。几十年来,经过大量的实验验证,如N、P、S等杂质都为深能级施主,单独元素掺杂几乎无法获得有效的n型半导体金刚石。所以,制作有效的n型半导体金刚石材料被寄希望于共掺杂的手段。目前,B-H、B-O、B-S和B-N等复合杂质被认为有可能提供一种浅能级施主。本文主要对硼氮共掺杂金刚石的高温高压合成及其内部杂质的行为展开研究,通过高温高压温度梯度法,利用FeNi触媒合成了高硼浓度的硼掺杂和硼氮共掺杂大尺寸金刚石单晶,对比了晶体硼和无定型硼作为硼源的掺杂效果,考察了氮杂质的引入对高浓度硼掺杂金刚石内部杂质与电学性质的影响;利用NiMnCo触媒合成了富氮的硼掺杂金刚石单晶,考察了富氮情况下,硼杂质的引入对于金刚石内部杂质和光学、电学性质的影响;并对富氮硼掺杂金刚石进行了高温高压退火实验,通过吸收光谱和发光光谱观察并分析退火处理后,硼、氮、镍、钴和氢等杂质的变化情况。具体内容如下:1.首先,在FeNi触媒合金中合成了硼掺杂金刚石大单晶,考察了硼杂质对金刚石单晶生长速度和晶型等基本特征的影响。并通过Raman光谱以半定量的方式对比了无定型硼与晶体硼作为硼添加剂的掺杂效果。研究表明,无论在除氮或不除氮条件下,硼杂质的引入对金刚石的生长速度都具有一定的促进作用,随着硼浓度的提高,晶型逐渐趋于(111)生长区占主要部分的八面体。相对晶体硼粉,无定型硼作为硼添加剂表现出更为高效的掺杂效果。2.利用FeNi触媒合成了硼浓度较高的硼氮共掺杂金刚石单晶。研究表明,氮杂质的引入明显降低了金刚石中硼受主含量,增大了硼受主电离能。硼氮共掺杂金刚石仍表现为p型半导体导电,然而,较硼掺杂金刚石表现出更高的载流子迁移率,这种迁移率升高的现象可能与硼氮共掺杂金刚石中降低的电中性硼杂质浓度有关。3.利用NiMnCo触媒合成了一系列氮含量相对较高的富氮的硼掺杂金刚石单晶。随着硼杂质的引入,金刚石中C心和A心浓度明显降低,相反,带正电氮杂质N+浓度明显升高,这表明金刚石中施主-受主补偿作用加剧。晶体的电阻率较高且均表现为p型半导体,载流子迁移率随着硼掺杂量的提高显著下降,这与金刚石中大量的N+散射中心有关。4.对NiMnCo触媒合成的富氮的硼掺杂金刚石进行了2.5 GPa,2000℃的高温高压退火处理。研究表明,高温加剧了杂质在金刚石晶格中的移动,增强了氮和硼的补偿效果,N+杂质浓度微弱提升,同时,随着硼杂质浓度的提高,高温诱导的氮杂质聚集现象出现弱化。拉曼光谱显示,退火后晶体的金刚石峰宽均变窄,这表明晶体具有更好的结晶度。5.对退火前后富氮的硼掺杂金刚石进行了室温下的PL光谱测试。退火前的PL光谱表明,镍和硼杂质对金刚石中NV-色心的形成具有一定的抑制作用;对于未掺硼的富氮金刚石,退火过程产生大量的Ni-N和Co-N相关光学心,随着硼杂质的引入和增加,金刚石中Ni-N和Co-N相关光学心大幅度降低至消失;富氮硼掺杂金刚石中大量存在的N+杂质,并不参与Ni-N和Co-N的形成过程。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TQ163
【文章目录】：
内容提要
论文摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 金刚石简介
        1.1.1 金刚石的结构,性质与应用
        1.1.2 金刚石的分类
    1.2 溶剂理论
        1.2.1 石墨与金刚石的相平衡
        1.2.2 金刚石的V型生长区
        1.2.3 金属溶剂中石墨转化为金刚石的驱动力
    1.3 高温高压试验设备
        1.3.1 六面顶压机简介
        1.3.2 压力与温度的标定
        1.3.3 顶锤的设计与应用
    1.4 材料选取与合成块的设计
        1.4.1 材料的选取
        1.4.2 合成组装设计
    1.5 含硼金刚石
        1.5.1 天然含硼金刚石
        1.5.2 人工合成硼掺杂金刚石
        1.5.3 含硼金刚石的能带理论
        1.5.4 含硼金刚石的红外光谱
    1.6 人工合成半导体金刚石
        1.6.1 p型半导体金刚石
        1.6.2 n型半导体金刚石
        1.6.3 复合杂质浅能级施主
    1.7 选题意义与研究内容
        1.7.1 选题意义
        1.7.2 研究内容
第二章 FeNi触媒合成硼掺杂金刚石
    2.1 引言
    2.2 金刚石中硼的存在状态
    2.3 硼的性质
        2.3.1 晶体硼简介
        2.3.2 无定型硼简介
    2.4 高温高压合成高浓度硼掺杂金刚石
        2.4.1 晶体硼作为添加剂合成硼掺杂金刚石
        2.4.2 无定型硼作为添加剂合成硼掺杂金刚石
    2.5 合成硼掺杂金刚石的Raman光谱
        2.5.1 晶体硼掺杂金刚石的Raman光谱
        2.5.2 无定型硼粉掺杂金刚石的Raman光谱
    2.6 小结
第三章 FeNi触媒合成硼氮共掺杂金刚石
    3.1 引言
    3.2 高温高压合成硼氮共掺杂金刚石
        3.2.1 氮源的选取
        3.2.2 实验过程
        3.2.3 晶体表面SEM表征
    3.3 UV-Vis吸收光谱测试分析
    3.4 Raman光谱测试分析
    3.5 FTIR光谱测试分析
    3.6 Hall效应测试分析
    3.7 本章小结
第四章 NiMnCo触媒合成富氮的硼掺杂金刚石
    4.1 引言
    4.2 富氮的硼掺杂金刚石的高温高压合成
    4.3 富氮的硼掺杂金刚石FTIR光谱研究
    4.4 富氮的硼掺杂金刚石Raman光谱研究
    4.5 富氮的硼掺杂金刚石Hall效应
    4.6 本章小结
第五章 富氮的硼掺杂金刚石退火研究
    5.1 引言
    5.2 退火条件及实验组装
    5.3 退火后金刚石的颜色变化
    5.4 FTIR光谱测试
        5.4.1 电中性氮杂质的变化情况
        5.4.2 带正电氮杂质N+的变化情况
    5.5 退火后金刚石的Raman光谱研究
    5.6 退火后金刚石的Hall效应
    5.7 本章小节
第六章 退火前后富氮的硼掺杂金刚石发光光谱研究
    6.1 引言
    6.2 退火前金刚石的PL光谱研究
        6.2.1 UV（325nm）激发下的PL光谱
        6.2.2 532nm激发下的PL光谱
    6.3 退火后金刚石的PL光谱研究
        6.3.1 532nm激发下的PL光谱
        6.3.2 488nm激发下的PL光谱
    6.4 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间公开发表的学术论文
作者简历
致谢

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本文编号：2874034