不同表面端基掺硼金刚石薄膜的微观结构及性能

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 金刚石薄膜的制备、结构与性能
• 1.2.1 金刚石薄膜的制备
• 1.2.2 金刚石薄膜的结构
• 1.2.3 金刚石薄膜的性能
• 1.3 氢、氧端基金刚石薄膜的结构及性能
• 1.3.1 两种端基金刚石薄膜的电学性能
• 1.3.2 两种端基金刚石薄膜表面的电子结构
• 1.3.3 两种端基金刚石薄膜次表面层的电子结构
• 1.3.4 两种端基金刚石薄膜导电机理
• 1.4 氢、氧端基金刚石薄膜的电化学性能
• 1.5 本论文的研究内容
• 1.6 本文主要研究内容的理论框架图
• 第2章 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜的电子结构
• 2.1 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜的制备和检测
• 2.1.1 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜的制备
• 2.1.2 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜的表面结构检测
• 2.2 X 射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.2.1 X 射线光电子能谱原理
• 2.2.2 两种端基掺硼金刚石薄膜XPS 分析
• 2.3 扫描隧道谱（STS）分析
• 2.3.1 扫描隧道显微镜原理
• 2.3.2 两种端基金刚石薄膜表面的STS 分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜的计算模型设计
• 3.1 第一性原理基本知识
• 3.1.1 密度泛函理论
• 3.1.2 Kohn-Sham 方法
• 3.1.3 赝势及平面波基底
• 3.2 实际模型的简化和可行性分析
• 3.2.1 多晶简化为单晶
• 3.2.2 晶面取向简化为（100）面
• 3.3 计算参数的选择和精度验证
• 3.3.1 体相超晶格模型
• 3.3.2 表面厚片模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜平衡态几何结构
• 4.1 体相中硼原子的稳定存在方式
• 4.2 次表面氢原子稳定存在方式
• 4.2.1 无硼情况
• 4.2.2 氢原子浓度与硼原子相当情况（[H]=[B]）
• 4.2.3 氢原子浓度为硼原子2 倍情况（[H]=2[B]）
• 4.3 表面氢、氧原子化学吸附的几何构型
• 4.3.1 氢吸附表面
• 4.3.2 氧吸附表面
• 4.4 本章小结
• 第5章 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜电子结构的计算
• 5.1 表面氢、氧原子对金刚石薄膜电子结构的影响
• 5.1.1 氢吸附表面
• 5.1.2 氧吸附表面
• 5.2 次表面层氢原子、硼原子对金刚石薄膜电子结构的影响
• 5.2.1 氢原子浓度与硼原子相当情况（[H]=[B]）
• 5.2.2 氢原子浓度为硼原子2 倍情况（[H]=2[B]）
• 2[B]）'>5.2.3 氢原子浓度大于硼原子2 倍情况（[H]>2[B]）
• 5.3 表面吸附活性粒子对掺硼金刚石薄膜电子结构的影响
• 5.3.1 氢端基表面
• 5.3.2 氧端基表面
• 5.4 本章小结
• 第6章 氢、氧端基掺硼金刚石薄膜的电化学性能
• 6.1 电化学原理及实验条件
• 6.1.1 电化学原理
• 6.1.2 电化学实验条件
• 6.2 两种端基掺硼金刚石薄膜电极的电化学性能
• 6.2.1 两种端基掺硼金刚石薄膜电极的循环伏安特性
• 6.2.2 两种端基掺硼金刚石薄膜电极的交流阻抗特性
• 6.2.3 两种端基掺硼金刚石薄膜的Mott-Schottky 曲线
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论与创新点
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文