高质量单晶金刚石的合成、结构与光学性能研究 下载: 1868次
1 引言
金刚石作为功能材料,具有优异的光学性质,除在3~6 μm双声子波段具有本征吸收峰外,几乎是全波段透明的,在光学领域有着重要的应用前景[1-2]。金刚石是一种重要的辐射探测材料[3],在高能物理辐射探测方面已占据无可替代的位置[4]。化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD) 金刚石探测技术可以作为 X光二极管探测技术的良好补充[5]。高质量 CVD 金刚石膜的研制为金刚石辐射探测器的研发开辟了新的路径[6]。此外,在众多的红外光学窗口材料中,金刚石兼具众多优异性能,因而受到了人们的广泛关注[7]。目前国外采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的高质量金刚石膜,已作为窗口材料应用于工业领域。如金刚石膜在真空电子器件中使用时,可克服散热及高功率毫米波和回旋管器件输能窗中的问题[8]。
金刚石的光学性质及结晶质量与制备过程中的杂质种类及含量有密切关系[9]。制备高纯单晶金刚石以及比较不同杂质含量金刚石的光学性能对于金刚石在光学领域的拓展应用具有重要意义。氮原子是金刚石中一种最普遍的杂质,可与碳原子形成多种复合形式,直接影响金刚石的光学性质,进而限制金刚石的光学用途[10]。氮主要通过共价键与其他原子结合,由于氮的原子半径与碳的原子半径很接近,因此氮原子容易进入金刚石晶体中并占据其晶格位置形成杂质原子,由于氮原子比碳原子多一个电子,氮原子多余的电子在金刚石中形成色心而使金刚石晶体呈现出多种颜色, 从而导致金刚石物理性质发生改变[11]。此外CVD过程中,氮的存在不仅可以促进单晶金刚石的台阶生长,稳定单晶金刚石的外延生长模式,还可以提升金刚石的生长速率。除此之外,在CVD制备过程中会通入适量的氧气,这是因为低浓度的O2可促进沉积并改善晶体质量[12-13]。
本文通过控制痕量杂质制备了不同质量等级的高质量单晶金刚石材料,研究了金刚石材料内杂质、结构缺陷与光学性质,综合分析了材料内杂质、结构缺陷对光学性能的影响规律。
2 实验方法
本实验中高质量单晶金刚石样品均使用课题组自主设计的 6 kW,2.45 GHz新型穹顶式微波装置完成。籽晶分别经丙酮和酒精超声波清洗后,放入真空度低于0.1 Pa的微波化学气相沉积腔室中。生长前使用H2/O2等离子体刻蚀1 h,去除表面的化学吸附杂质,消除由于机械加工导致的表面损伤层。之后通过控制氧气与氮气原子数分数分别生长高纯单晶金刚石与微掺氮单晶金刚石,高纯样品采用的衬底是抛光的(100)面的高温高压籽晶,薄膜生长并抛光后的厚度为0.20 mm,微掺氮样品是以高纯CVD样品为籽晶,薄膜生长并抛光后得到的厚度为0.44 mm,两种样品的具体沉积参数如
表 1. 高纯与微掺氮单晶金刚石沉积工艺参数表
Table 1. Deposition parameters of single crystal diamonds with high purity and low-doped nitrogen
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采用inVia-Reflex型显微拉曼谱仪对晶体中的金刚石相和非晶碳相进行拉曼表征和光致发光(PL)表征,以分析金刚石中杂质及缺陷信息,测试温度均为室温,激发波长为532 nm,采用1800 lp/mm的光栅。采用Varian Cary 7000 型紫外可见近红外(UV-visible-NIR)分光光度计表征样品的透过率和吸光度。采用Excalibur 3100型傅里叶变换红外光谱仪表征样品的红外(IR)透过率。采用XPert-MRD型 X射线衍射装置进行摇摆曲线测试,扫描步长为 0.0002°,扫描电压为40 kV,电流为30 mA。X射线使用Cu的Kα1光线,单色器为 Ge(220)四晶单色器,探测器为正比计数器,仪器本征半峰全宽(HWHM)为12″。采用X射线白光形貌技术观察金刚石中的位错分布状态,样品与胶片的距离为5.5 cm,所用胶片来自Fuji Kogyo,型号为Fuji IX-50,储环运行参数为2.5 GeV、250 mA,样品与光源的距离为42 m。
3 结果与讨论
3.1 高纯与微掺氮单晶金刚石杂质分析
CVD金刚石中掺杂的氮主要以替位式氮原子存在,单晶中氮杂质的原子数分数可以通过替位氮原子在270 nm处的吸收峰进行计算[14-15],即N=0.56×ΔA[15],其中N为金刚石中孤氮原子数分数,ΔA为在270 nm处,测得的光谱曲线与拟合曲线纵坐标之间的差值。
图 1. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的紫外可见吸收光谱。(a)高纯单晶金刚石;(b)微掺氮单晶金刚石;(c)参照样品
Fig. 1. UV-visible absorption spectra of three kinds of single crystal diamonds. (a) Single crystal diamond with high purity; (b) single crystal diamond with low-doped nitrogen; (c) reference sample
除去替位氮之外,CVD金刚石单晶中常见的氮杂质类型还有[16]:中性[N-V]0和负电[N-V]-,他们分别对应光致发光谱中的波长575 nm和637 nm,如
图 2. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的PL图。(a)高纯单晶金刚石;(b)微掺氮单晶金刚石;(c)参照样品
Fig. 2. PL diagram of three kinds of single crystal diamonds. (a) Single crystal diamond with high purity; (b) single crystal diamond with low-doped nitrogen; (c) reference sample
3.2 高纯与微掺氮单晶金刚石的晶体结构宏观表征
采用正交偏光显微镜能够观察单晶金刚石表面或内部的状态和对应力敏感的缺陷。金刚石单晶属于立方晶系,为均质体,故理论上在正交偏振光下会完全消光,但是在单晶内部由于结构受应力的影响,会引起光性反常现象。
图 3. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的正交偏光显微图(透射光)。(a)高纯单晶金刚石;(b)微掺氮单晶金刚石;(c)参照样品
Fig. 3. Cross polarized micrograph (transmitted light) of three kinds of single crystal diamonds. (a) Single crystal diamond with high purity; (b) single crystal diamond with low-doped nitrogen; (c) reference sample
图 4. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的拉曼光谱图
Fig. 4. Raman spectra of single crystal diamond with high purity, single crystal diamond with low-doped nitrogen and reference sample
对于理想晶体,严格按照空间点阵排列,其半峰全宽应该为零,但实际上晶体在结晶时晶格和取向不完全一致,存在一定的展宽,宽度越大说明晶体取向较差,所以在一定程度上,半峰全宽反映了结晶的好坏[24]。拉曼峰的半峰全宽表征了样品的结晶质量,如果晶体内存在缺陷等晶格畸变,那么晶体拉曼谱的半峰全宽将会变宽[25,26]。天然完美金刚石半峰全宽低至1.5 cm-1,CVD生长的单晶金刚石膜半峰全宽可低至1.6~1.8 cm-1[27]。由三者的拉曼谱线对其采用洛伦兹拟合,得到如
3.3 高纯与微掺氮单晶金刚石的晶体缺陷评价
采用X射线摇摆曲线评估单晶金刚石的结晶质量及位错状态。对于单晶金刚石而言,一般通过研究其(400)晶面的 X 射线衍射峰的摇摆曲线来表征其结晶质量和位错密度。X 射线摇摆曲线的半峰全宽越低,表明其晶体的结晶质量越好[28]。对于单晶金刚石来说,由于只有单一的摇摆曲线衍射峰,无法使用线性拟合,因此晶体位错密度可表示为[29-31]
式中:βhkl为半峰全宽,hkl为晶面指数,这里指(400)晶面;b为晶体位错的柏氏矢量。
图 5. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品拟合后的Raman光谱图。(a)高纯单晶金刚石;(b)微掺氮单晶金刚石;(c)参照样品
Fig. 5. Fitted Raman spectra of three kinds of single crystal diamonds. (a) Single crystal diamond with high purity; (b) single crystal diamond with low-doped nitrogen; (c) reference sample
图 6. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的摇摆曲线。(a)高纯单晶金刚石;(b)微掺氮单晶金刚石;(c)参照样品
Fig. 6. X-ray rocking curve of three kinds of single crystal diamonds. (a) Single crystal diamond with high purity; (b) single crystal diamond with low-doped nitrogen; (c) reference sample
X射线白光形貌是一种分析晶体材料微观结构缺陷的方法,可以显示晶体的缺陷及其分布状况[32]。
高纯、微掺氮单晶金刚石白光形貌图如
图 7. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的X射线白光形貌图。(a)高纯单晶金刚石;(b)微掺氮单晶金刚石;(c)参照样品
Fig. 7. X-ray white light topography of three kinds of single crystal diamonds. (a) Single crystal diamond with high purity; (b) single crystal diamond with low-doped nitrogen; (c) reference sample
3.4 高质量单晶金刚石的光学性质
红外光谱检测的是分子的振动和转动能量[33]。
图 8. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的红外吸光度图
Fig. 8. Infrared absorbance diagram of single crystal diamond with high purity, single crystal diamond with low-doped nitrogen and reference sample
图 9. 高纯单晶金刚石、微掺氮单晶金刚石和参照样品的UV-visible-IR透过率
Fig. 9. UV-visible-IR transmittance of single crystal diamond with high purity, single crystal diamond with low-doped nitrogen and reference sample
4 结论
采用微波化学气相沉积法通过控制痕量杂质制备了高质量单晶金刚石材料。通过紫外可见吸收光谱和PL谱得到高纯金刚石中孤氮原子数分数仅为3.73×10-9。N原子的存在使微掺氮金刚石在1442.5 cm-1附近具有含氮的荧光峰,而高纯单晶金刚石仅在1332.1 cm-1处存在明显的金刚石特征峰,无杂峰存在。通过(400)晶面的 X 射线衍射峰的摇摆曲线得到了高纯、微掺氮单晶金刚石的位错密度分别为:3.928×106 cm-2、8.907×106 cm-2。白光形貌图和正交偏光显微图直观显示了高纯单晶金刚石内部存在纠缠成结以聚集状均匀分布的位错应力场,而微掺氮金刚石中存在更多位错应力场,应力敏感区域更大。在紫外可见近红外波段,高纯、微掺氮单晶金刚石具有接近金刚石此波段理论值的透过率。高纯样品在本征红外吸收波段具有较小的吸光度,其晶格点阵的对称性较好。由于控制痕量杂质制备的单晶金刚石质量高,光学性能极佳,故有望用于光探测器探头和光学窗口。
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