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化学气相合成六方氮化硼薄膜：生长、结构与性质

作　者: 郝玉凤
导　师: 于杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 六方氮化硼 薄膜 微波等离子体 化学气相沉积
分类号: O613.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


本研究采用微波等离子体化学气相沉积方法以及He-N2-BF3-H2的混合气源系统在(100)取向的Si片上沉积出了高质量的六方氮化硼(hBN)薄膜。系统地研究了各种参数如气源组分、微波功率、工作气压、沉积时间等对氮化硼薄膜生长行为的影响。用透射电子显微镜(TEM)、阴极射线发光光谱、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外谱(FTIR)和拉曼光谱等手段对沉积薄膜进行了表征,根据测试结果系统研究了各沉积参数对hBN薄膜的表面形貌、生长速率、结晶度、发光性质及晶体结构特征等方面的影响规律。结果表明:1)本研究沉积的hBN薄膜具有特殊的结构特征,一般是由厚度在纳米量级的片层组成,片层表现为具有分支的立体结构,在大的片层上生长有众多尺寸更小的分支片层,分支片层垂直于主片层表面。主片层长度500~800nm,厚度10~25nm,分支片层长度100~400nm,厚度10~25nm。2)衬底材料预处理阶段的表面打磨可以促进hBN的表面形核,缩短形核时间,从而提高了整体生长速率。3) hBN薄膜的生长速率随反应气相中H2浓度的增加而提高,同时,结晶度有一定的改善。4)微波功率对hBN薄膜的生长有很大的影响。随着微波功率的增加hBN薄膜生长速率增大,结晶度提高。5)随着工作气压的增加,hBN薄膜的生长速率增加,在过低的压力下没有hBN产物的生成。过高的压力下薄膜结晶性有变差的趋向。6)沉积时间对薄膜结构的影响主要表现在生长的初始阶段。沉积1h的hBN薄膜片层结构明显小于2h以后的,2h以后片层尺寸变化不大,但薄膜的厚度增加。7)高分辨率的TEM图像分析表明:hBN薄膜的片层结构是由规则排列的六方晶面堆积而成的。8) hBN片层薄膜表现出优良的超疏水特性,与水的接触角大于150o。9)阴极发光测试表明所制备的hBN薄膜具有深紫外发光能力,发光峰以265nm为中心,分布于200~400nm之间。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 六方氮化硼的结构、性质及应用  10-14
    1.1.1 六方氮化硼的结构与性质  10-13
    1.1.2 六方氮化硼的应用  13-14
  1.2 六方氮化硼薄膜的制备方法  14-19
    1.2.1 六方氮化硼薄膜的化学气相沉积  14-17
    1.2.2 六方氮化硼薄膜的物理气相沉积  17-19
  1.3 氮化硼薄膜的研究现状和存在的问题  19-21
  1.4 本论文的选题与研究内容  21-22
第2章 实验与表征  22-31
  2.1 微波等离子体化学气相沉积系统  22-25
    2.1.1 MPCVD系统简介  22-23
    2.1.2 MPCVD技术的原理与特点  23-25
  2.2 六方氮化硼薄膜的制备  25-27
    2.2.1 衬底材料的选择  25
    2.2.2 衬底的预处理  25-26
    2.2.3 样品的制备  26-27
  2.3 六方氮化硼薄膜的表征  27-31
    2.3.1 傅立叶红外光谱(FTIR)  27-28
    2.3.2 拉曼光谱分析(Raman)  28-29
    2.3.3 扫描电子显微形貌分析(SEM)  29-30
    2.3.4 透射电子显微分析(TEM)  30-31
第3章 沉积参数对六方氮化硼薄膜生长的影响  31-51
  3.1 衬底材料预处理对氮化硼薄膜沉积的影响  31-32
  3.2 气源组分对氮化硼薄膜沉积的影响  32-43
    3.2.1 BF_3流量为45sccm时H_2流量的影响  33-35
    3.2.2 BF_3流量为40sccm时H_2流量的影响  35-37
    3.2.3 BF_3流量为30sccm时H_2流量的影响  37-39
    3.2.4 BF_3流量为20sccm时H_2流量的影响  39-41
    3.2.5 BF_3流量为10sccm时H_2流量的影响  41-43
  3.3 微波功率对氮化硼薄膜沉积的影响  43-45
  3.4 工作气压对氮化硼薄膜沉积的影响  45-47
  3.5 沉积时间对氮化硼薄膜沉积的影响  47-49
  3.6 本章小结  49-51
第4章 薄膜的结构性质与生长机理探讨  51-61
  4.1 薄膜的结构分析  51-54
    4.1.1 薄膜的表面形貌结构  51-52
    4.1.2 薄膜的晶体结构  52-54
  4.2 薄膜的生长机理探讨  54-57
  4.3 薄膜的发光性质  57-58
  4.4 薄膜的超疏水性质  58-59
  4.5 本章小结  59-61
结论  61-63
参考文献  63-70
致谢  70

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 非金属元素及其化合物 > 第Ⅲ族非金属元素及其化合物 > 硼B
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