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不同表面端基掺硼金刚石薄膜的微观结构及性能

刘峰斌  
【摘要】: 掺硼金刚石薄膜具有优异的物理、化学性能,非常适合制作高频、高温、大功率电子元件和电化学元件。氢端基和氧端基薄膜表现出完全不同的电学和电化学性能,直接影响着所制造元件的质量。因此,深入研究两种表面端基掺硼金刚石薄膜的微观结构、性能以及导电机理对其在电学、电化学领域的应用具有重要的指导意义,是表面科学与碳材料应用交叉领域的一个重要前沿。 论文采用实验分析和理论计算方法,研究了两种表面端基掺硼金刚石薄膜的电子结构和电化学性能,研究成果表现在两个方面。首先,在实验研究方面:[1]得到了两种端基薄膜表面清晰的电子结构。借助X射线光电子能谱和扫描探针显微镜,发现氢端基表面能带向上弯曲,表现出p型高导电性,带隙中靠近价带顶存在空表面态;而氧端基表面能带向下弯曲,表现为带隙宽的绝缘体,带隙中不存在表面态;[2]得到了两种端基薄膜作为电化学电极时,明确的固/液界面结构。利用循环伏安曲线和交流阻抗谱,发现氢端基薄膜电极具有较窄的电化学窗口,在电化学窗口内,电极不存在空间电荷层电容和电阻,而氧端基薄膜电极具有较宽的电化学窗口,在窗口范围内,电极具有较大的空间电荷层电容和电阻;[3]利用两种端基掺硼金刚石薄膜的电子结构,对其作为电极表现出的电化学性能进行了解释。以上研究对利用不同表面端基薄膜表现出的不同性能,开发高质量元器件提供了依据。 在理论研究方面:[1]判定了表面氢原子和次表面氢原子、硼原子的稳定存在方式。通过计算反应热和系统最低能量,发现表面氢原子以单层吸附(2×1)再构结构稳定存在;体相中硼原子以替换碳原子方式稳定存在,次表面中的氢原子稳定存在于B-C键间或C-C键间;[2]阐明了两种表面端基薄膜的导电机理。表面吸附氢原子只是p型高导电层存在的必要条件,还需要吸附空气中的活性粒子,而次表面氢原子对p型导电层的形成不起作用;当次表面氢原子与硼原子浓度相当时,结构表现为绝缘体;次表面氢原子浓度为硼原子浓度的2倍时,结构表现为n型导电特性。这些结论对开发适当的表面处理方法,以得到具有较好表面性能的掺硼金刚石薄膜具有指导意义。


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