收藏本站
《复旦大学》 2009年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

等离子体沉积相关技术在制备纳米结构碳氮薄膜上的应用

胡巍  
【摘要】:自从1989年Cohen和Liu对β-C_3N_4这种超硬材料作出了理论预测以来,对该材料的合成研究一直是材料领域研究的热点之一,这种材料的人工合成,对相关理论和材料应用产生了重要影响。另一方面,一维纳米结构材料,如纳米管(NT)、纳米锥/尖(NC)、纳米纤维(NF)等,尤其象碳、金刚石、AIN、SiCN等制成的相关纳米材料,因其独特的电学、力学、化学等特性引起了科学家的兴趣,特别是当具有稳定的结构并垂直基板有序排列吋,非常适合制作场致电子发射器件,如场发射平板显示器、场发射扫描电镜的探针等,也是制作原子力显微镜探针、超级电容、气体压力传感器等的理想材料,引起了人们较多的关注。 本论文中,关于等离子体相关技术在纳米结构碳氮薄膜制备与表征方面的研究主要包括如下三个方面: (一)为了解等离子体源所产生的放电等离子体的性质,以及活性粒子和前驱物的掺入对薄膜沉积的影响,对碳氮薄膜制备所需的氮气/甲烷混合气体放电产生的等离子体的发射光谱进行了原位测量分析。在直流反常辉光放电CH_4/N_2等离子体中证实存在占主导地位的CN以及伴随产物C_2、CH、NH基团等,并且测量和讨论了它们相对于CH_4/N_2气压比以及所加电场极性的变化趋势。一个显著的现象是:在辉光放电时当甲烷被加入到纯氮气中后,氮相关粒子如N_2或N_2~+等主要谱线强度虽然由于与甲烷相关的基团产生Penning碰撞而在某种程度上得到增强,却被起源于CN基分子位于388和421nm处的谱线所取代,因为后者能级较低,需要相对较低的激活能,即使CH_4/N_2比只有1/100亦是如此。另一方面,缘于与甲烷所引入的基团,N_2分子以及N原子之间碰撞的增强,N原子在400nm附近的谱线基本消失。另一个现象是:不论极性,大部分探测到的谱线包括CN、N_2、C_2(Δv=0,Δv=+1)的强度在CH_4/N_2比在1/50-1/25之间变化相对有所趋缓,趋平或下陷,这应该是由于等离子体中相应于该处较高的电子能量的某种共振现象所致。此外,可以发现,在负极性时因为CH_4/N_2比小于1/100时气体中甲烷含量不足,而大于1/50时电子温度(E。)又下降的缘故,在1/100-1/50 CH_4/N_2比范围出现一个CN产率的最大值。上针尖负接时,CH_4/N_2比在1/100-1/50左右应当适合于较高氮含量且类石墨结构CN_x薄膜的合成。另一方面,当上针尖正接时,CN却由于较高的E_a而在CH_4/N_2比1/100-1/25的范围内产率较低,从而不利于高氮含量类富勒烯或类石墨薄膜的沉积,但却利于结晶性相对较好,类金刚石薄膜的沉积,例如β-C_3N_4。另外,C_2基团会提供相当比例的sp~2杂化态而不是sp~3杂化态,这是在沉积CN_x薄膜时导致形成类石墨或类富勒烯结构的一个重要因素。针尖电极为正极性时在CH_4/N_2比为1/50-1/25处C_2和CN的产率都达到局部极小的临界点附近区域,于后续实践中证明最有利于β-C_3N_4的合成。 (二)利用直流反常辉光放电活性等离子体沉积方法(PRVD)在镀有催化剂的本征和N型掺杂的Si衬底上合成了竖直整齐排列的碳氮纳米锥/纳米纤维/纳米管(CNNCs/CNNFs/CNNTs)阵列。生成的CNNCs有着β-C_3N_4的晶体结构,最小尖端曲率直径可达2-3nm。各种分析测试手段包括选区电子衍射SAED,微区电子衍射(MEAD),X射线衍射(XRD),能量色散谱(EDS)以及拉曼(Raman)光谱对合成的CNNCs进行了表征。SAED与MEAD的衍射图象表明了较短的CNNCs主要为单晶β-C_3N_4结构,而细长的锥体主要为非晶结构,包含分散的Ni以及β-C_3N_4结晶区。CNNCs中所含的β-C_3N_4晶体结构用XRD进行了进一步的确证。EDS的结果表明在非晶的锥体中靠近催化剂颗粒的区域测得的[N]:[C]比接近4:3。拉曼光谱进一步支持了上述结果,并给出了有关CNNTs或其内部管道的特征尺寸。最后基于对实验结果和生长条件的分析提出了底部溅射生长,顶端生长,复式(簇状)顶端生长,弱溅射底部生长四种CNNC/CNNF/CNNT的生长模式。一般来说,CH_4/N_2气压比在1/50附近,放电电流300mA左右的条件比较适合长径比较小,尖端曲率较大,结晶性较好的CNNCs的生长。总体上,通过改变甲烷含量,衬底划痕,以及放电电流,可以控制纳米结构的长径比,分布密度和生长位置,对于结晶性和生长方式的选择则在一定程度上基本可控。基于此,直流反常辉光放电PRVD技术为我们提供了一种合成具有高氮含量,极小尖端曲率半径,尺寸,长径比和分布可控,竖直整齐排列的二元碳氮纳米锥或其他纳米结构阵列的有效途径,具有非常好的应用前景。 (三)在最后一部分碳氮薄膜的合成工作中,我们首先利用现有装置发展出了直流反常辉光放电等离子体束喷射淀积(GPBD)方法,辉光放电在不同配比的甲烷/氮气混合气体中进行,在镀Co/Ni中间层的Si(100)晶片上合成了CN_x薄膜。SEM图片显示所生长的薄膜主要含有平均尺寸20-30nm的晶粒,并且在一块合成样品的中心区域发现一种有趣的纳米花自组织结构。XRD的结果显示在合成薄膜内存在直径几到100nm的g相和β相C_3N_4晶粒。XPS谱表明了[N]/[C]原子比为0.34-0.46.拉曼谱中与理论值一致的1323cm~(-1)附近的峰表明了C_3N_4的存在。同时拉曼光谱显示了D带和G带之间的间隔随衬底温度和氮气比例升高而增大,说明类石墨结构的减少和晶态C_3N-4结构的增加。 接着又通过氮原子束辅助准分子脉沖烧蚀沉积(AB-PLD)方法在覆有Co/Ni中间层的Si(100)晶片上合成了致密,均匀,光滑的CN_x薄膜。XRD的结果显示在合成薄膜内存在直径9到40 nm的g相和β相C_3N_4晶粒。N_(1s)和C~(1s)核心能级电子谱曲线峰形的分析表明膜层里存在一定的N-C键。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

手机知网App
【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 付小牛;碳氮纳米锥薄膜制备及特性研究[D];复旦大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 于威,王淑芳,任国斌,李晓苇,张连水,傅广生;等离子体增强化学气相沉积氮化碳薄膜过程中的光学发射谱研究[J];光谱学与光谱分析;2002年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 宋银,侯明东,王志光,赵志明,段敬来;氮化碳薄膜的制备及研究现状[J];高压物理学报;2003年04期
2 高鹏,徐军,朴勇,丁万煜,邓新绿,王德和,董闯;溅射靶功率对氮化碳薄膜结构的影响[J];真空科学与技术学报;2005年05期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 徐军;微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射技术及CN薄膜的制备研究[D];大连理工大学;2002年
2 于威;晶态氮化碳薄膜沉积及其生长机理研究[D];河北大学;2002年
3 高鹏;等离子体增强沉积C-N-Si超薄保护膜[D];大连理工大学;2007年
4 赵文杰;第一性原理研究几种过渡金属硼化物、氮化物及BC_5的结构、弹性及其电子性质[D];河南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 涂于飞;第一性原理研究Os_xW_(1-x)B_2和Re_xW_(1-x)B_2合金以及C_(14)N和C_(13)N_2的结构及其弹性性质[D];河南大学;2011年
2 王淑芳;脉冲激光沉积氮化碳薄膜及其生长机理研究[D];河北大学;2000年
3 丁学成;等离子体增强化学气相沉积法制备氮化碳薄膜及其气相反应过程研究[D];河北大学;2001年
4 张茂平;低温等离子体增强电子束蒸发沉积TiN的研究[D];华南师范大学;2007年
5 朱爱国;低压下C_2和C_3醇介质阻挡放电产生等离子体的探测[D];安徽师范大学;2007年
6 邹彬;空心阴极放电特性的研究[D];东华大学;2008年
7 许晓锋;碳氮纳米锥阵列和p型氧化锌的制备研究[D];复旦大学;2009年
8 付小牛;碳氮纳米锥薄膜制备及特性研究[D];复旦大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 于威,王淑芳,丁学成,韩理,刘志强,张连水,傅广生;直流辉光放电等离子体增强化学气相法制备金刚石及氮化碳薄膜[J];河北大学学报(自然科学版);2000年01期
2 赵菁,康宁,王金国,王荣瑶,徐积仁;氮碳薄膜沉积过程的光谱诊断分析[J];科学通报;1997年20期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 闻立时,黄荣芳,刘得成,胡新天,白雪东,孙超,宫骏;纳米结构电磁工程微观原理研究[J];真空;2000年04期
2 王晓刚,牟国栋,李晓池,陈维,陈寿田;煤矸石的纳米结构及其对合成SiC的影响[J];无机材料学报;2001年04期
3 杨升红;刀具和磨具用的纳米结构涂层[J];稀有金属快报;2003年12期
4 朱传凤,韩梅娟,商广义,万立骏,沈玉全,邱玲,郝聚民;光学高分子薄膜纳米结构与性能关系的探讨[J];微纳电子技术;2005年06期
5 沈晓斐,祝洪良,姚奎鸿;氢氧化镍纳米薄片的水热合成及其表征[J];浙江理工大学学报;2005年03期
6 赵振荣;王立;王剑峰;;低维聚合物纳米材料的自组装制备、性能及应用[J];高分子通报;2006年01期
7 李伟;陈大俊;张清华;;一维纳米结构导电聚苯胺的研究进展[J];高分子材料科学与工程;2006年05期
8 李国政;张阳德;李钧;潘一峰;魏坤;;医用羟基磷灰石纳米粒的制备和特性:电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、核磁共振、X射线对羟基磷灰石纳米粒的观测(英文)[J];中国现代医学杂志;2007年03期
9 屈叶青;曾虹燕;方芳;;氧化铝膜的制备[J];广东化工;2007年04期
10 任敏;殷恒波;王爱丽;姜廷顺;;纳米金红石型TiO_2沉积制备云母钛纳米复合材料及其光学性质[J];中国有色金属学报;2007年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘刚;赵江;;纳米结构化三相接触线的新效应[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
2 江雷;;仿生智能多尺度界面材料[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
3 王菲;梁金生;汤庆国;;海泡石环境矿物材料的纳米结构及应用[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
4 李素梅;刘文彬;李常亮;;纳米结构二氧化锰的合成及其对持久性有机污染物热降解的研究[A];持久性有机污染物论坛2011暨第六届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集[C];2011年
5 杨建辉;王海水;张洪杰;逯乐慧;施伟东;;贵金属(Au、Pt、Pd)空心纳米结构的研究[A];中国化学会第十届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2004年
6 柯博;陈牧笛;杨宽;朱晓东;;RF等离子体沉积硅基纳米结构研究[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
7 杨策;曾瑶;吴佳佳;侯仰龙;;Fe_3O_4各向异性纳米结构的控制合成及其相关性质[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
8 黄逸凡;朱红平;赵刘斌;吴德印;任斌;田中群;;金、银纳米结构上的对巯基苯胺的表面增强拉曼光谱研究[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年
9 侯建国;;纳米结构与性能调控[A];中国化学会第二十四届学术年会论文摘要集[C];2004年
10 贾薇娜;贾博祥;曲凤玉;武祥;;形貌可控的硫化锌纳米结构自组装及其黄光发射和疏水性质[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 周清春;第四次科技浪潮由纳米开始[N];中国矿业报;2005年
2 记者 戴恩国 高显洲 通讯员 丁义浩;纳米结构合金钢在东大成功问世[N];中国冶金报;2006年
3 记者 刘霞;英研制新一代纳米化学反应器[N];科技日报;2008年
4 章迪思;上海“纳米军团”领衔三大国家项目[N];解放日报;2007年
5 记者 王彬;张万喜:科研要有市场观[N];协商新报;2007年
6 王立;纳米信息技术市场前景广阔[N];中国知识产权报;2008年
7 本报记者 操秀英;进军多学科前沿交叉新领域[N];科技日报;2010年
8 吴铭;科学家获得光子晶体纳米结构[N];中国石油报;2003年
9 通讯员  喇玉娟 记者  刘芃;DNA “折纸术”绘出中国地图[N];上海科技报;2006年
10 记者 唐婷;专家提出我国应加强纳米信息技术研究[N];科技日报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王君礼;金属磷化物纳米结构的设计合成与形成机理[D];中国科学技术大学;2010年
2 蒋蓉蓉;纳米结构二氧化锰的制备及其作为电化学电容器电极材料的研究[D];复旦大学;2010年
3 李强;ZnO、MnO_2、氧化硅纳米结构的合成及其物理化学性能研究[D];合肥工业大学;2011年
4 杨海峰;片状介孔材料的制备及其在纳米结构模板合成中的应用[D];复旦大学;2004年
5 万青;零维Ge和一维ZnO纳米结构与器件[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2004年
6 霍子扬;过渡金属氧化物纳米结构的调控合成、组装及其性能研究[D];清华大学;2009年
7 刘东光;纳米结构碳氮基薄膜的设计与机械性能[D];浙江大学;2011年
8 胡巍;等离子体沉积相关技术在制备纳米结构碳氮薄膜上的应用[D];复旦大学;2009年
9 郑先锋;镍基磷化物新型纳米结构的合成、组装和磁性质[D];华中科技大学;2010年
10 薛鹏冲;手性小分子有机凝胶剂的合成、组装及其模板构筑无机纳米结构[D];吉林大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 林锋;ZrO_2/Y_2O_3纳米结构粉末及热障涂层的研制[D];中南大学;2004年
2 陶鹏;纳米结构MgZnO的制备和表征[D];兰州大学;2010年
3 闫丽丽;纳米结构Cu_2O阵列薄膜的铜阳极氧化法制备及其光电化学性能研究[D];华中师范大学;2011年
4 杨晓辉;纳米结构TiO_2的制备、组装机理及光催化性能的研究[D];河北师范大学;2004年
5 薛秀冬;二氧化钛及钛酸盐杂化纳米结构的设计合成[D];苏州大学;2010年
6 张彬;磁性纳米结构的微磁学研究[D];兰州大学;2010年
7 程威;水溶性超顺磁铁氧体单分散纳米结构的合成[D];中国科学技术大学;2010年
8 何双虎;电化学法制备ZnO纳米结构及其性能研究[D];上海交通大学;2010年
9 张莉;非水体系下聚苯胺纳米结构的合成及气敏性质研究[D];东北师范大学;2010年
10 刘文军;共溅法制备Mn掺杂GaN薄膜和纳米结构的研究[D];山东师范大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026