化学气相合成六方氮化硼薄膜：生长、结构与性质

论文摘要

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500800nm,厚度1025nm,分支片层长度100400nm,厚度1025nm。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200400nm之间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 六方氮化硼的结构、性质及应用
• 1.1.1 六方氮化硼的结构与性质
• 1.1.2 六方氮化硼的应用
• 1.2 六方氮化硼薄膜的制备方法
• 1.2.1 六方氮化硼薄膜的化学气相沉积
• 1.2.2 六方氮化硼薄膜的物理气相沉积
• 1.3 氮化硼薄膜的研究现状和存在的问题
• 1.4 本论文的选题与研究内容
• 第2章 实验与表征
• 2.1 微波等离子体化学气相沉积系统
• 2.1.1 MPCVD系统简介
• 2.1.2 MPCVD技术的原理与特点
• 2.2 六方氮化硼薄膜的制备
• 2.2.1 衬底材料的选择
• 2.2.2 衬底的预处理
• 2.2.3 样品的制备
• 2.3 六方氮化硼薄膜的表征
• 2.3.1 傅立叶红外光谱（FTIR）
• 2.3.2 拉曼光谱分析（Raman）
• 2.3.3 扫描电子显微形貌分析（SEM）
• 2.3.4 透射电子显微分析（TEM）
• 第3章 沉积参数对六方氮化硼薄膜生长的影响
• 3.1 衬底材料预处理对氮化硼薄膜沉积的影响
• 3.2 气源组分对氮化硼薄膜沉积的影响
• 3流量为45sccm时H₂流量的影响'>3.2.1 BF₃流量为45sccm时H₂流量的影响
• 3流量为40sccm时H₂流量的影响'>3.2.2 BF₃流量为40sccm时H₂流量的影响
• 3流量为30sccm时H₂流量的影响'>3.2.3 BF₃流量为30sccm时H₂流量的影响
• 3流量为20sccm时H₂流量的影响'>3.2.4 BF₃流量为20sccm时H₂流量的影响
• 3流量为10sccm时H₂流量的影响'>3.2.5 BF₃流量为10sccm时H₂流量的影响
• 3.3 微波功率对氮化硼薄膜沉积的影响
• 3.4 工作气压对氮化硼薄膜沉积的影响
• 3.5 沉积时间对氮化硼薄膜沉积的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 薄膜的结构性质与生长机理探讨
• 4.1 薄膜的结构分析
• 4.1.1 薄膜的表面形貌结构
• 4.1.2 薄膜的晶体结构
• 4.2 薄膜的生长机理探讨
• 4.3 薄膜的发光性质
• 4.4 薄膜的超疏水性质
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢