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氟负离子储存—发射功能材料及其在Si和SiO2蚀刻中应用基础研究

2020-11-28阅读(261)

氟负离子储存—发射功能材料及其在Si和SiO2蚀刻中应用基础研究

论文摘要

薄膜材料的制备及其性能研究是材料化学和材料物理领域的重要研究课题之一。氟负离子在半导体蚀刻、薄膜材料的制备及其改性、大气化学、生物化学和负离子质谱技术等领域具有重要的应用背景。本论文合成了氟负离子存储.发射功能材料[Ca24Al28O64]4+·（F-）3.36(O（2-）0.32（缩写成C12A7-F-）;首次研究了该材料的结构特征、负离子存储特性、负离子发射特性、高纯氟负离子源的建立技术;深入研究了C12A7-F-材料的负离子存储-发射机理;利用该功能材料和建立的高纯氟负离子源,进行了F-离子对硅和二氧化硅蚀刻应用研究。主要的研究结果如下:（1）C12A7-F-的制备和结构特征。1350℃时,在氩气气氛下高温焙烧CaCO3、γ-Al2O3和CaF2,然后在780℃和氟气气氛下退火处理来制得C12A7-F-材料。场发射扫描电子显微镜（FESEM）、BET-孔径分析和X射线衍射（XRD）测试表明C12A7-F-材料的属于I（?）3d空间群,晶格常数为1.1969±0.0002 nm。比表面和平均孔径分别为1.073 m2/g和42.6（?）。另外经长时间发射后结构并没有发生明显变化。（2）F-离子发射特性。利用时间飞行质谱测量了C12A7-F-材料的发射特性,包括温度效应,引出场效应,发射分支比,表观活化能的计算和发射稳定性等内容。实验结果显示,F-离子为最主要的发射离子,其强度随着温度和引出场的增加而增加.得到的各离子的表观活化能随着电场的增加而下降,并基本符合肖特基公式。（3）F-离子存储特性。采用电子顺磁共振（EPR）、离子色谱（IC）和喇曼谱（RS）等方法表征C12A7-F-材料的存储特性,表明该材料中的负离子物种主要是F-负离子(（1.96±0.25）×1021cm-3),伴随少量的O2-和极少量的O-和O2-,这也与TOF检测的C12A7-F-材料表面负离子发射情况基本吻合。（4）F-离子形成和发射机理。C12A7-F-材料中的F-离子是在焙烧过程中初步生成,然后在退火处理中经电荷交换反应进一步增强。在发射过程中,内部的F-离子通过电场增强的热扩散过程迁移到样品表面,然后再脱附到气相中。实验中观测到的少量的O-离子和电子发射主要来源于O2-离子的解离.（5）F-离子束。测量了C12A7-F-材料的绝对发射电流密度。利用TOF质谱实时校正得到的发射分支比和总电流,计算各种离子的绝对电流。其中,F-离子的绝对发射电流密度可以达到μA/cm2量级。在样品背面注入氟气的情况下,C12A7-F-材料可以持续稳定地发射μA/cm2量级的F-离子流.（6）F-离子束对硅和二氧化硅的蚀刻。利用该功能材料和建立的高纯氟负离子源,进行了F-离子对硅和二氧化硅蚀刻应用研究。同时利用FESEM和X射线光电子能谱（XPS）等表征方法对蚀刻前后样品表面形貌和组分变化进行了测试。表明F-离子束对硅片和二氧化硅具良好的蚀刻效果。研究表明,该负离子存储-发射功能材料C12A7-F-具有高选择性存储氟负离子,高纯度发射氟负离子的能力;在电催化注入时所发射的高纯和高稳定性的氟负离子束可用来建立高纯氟负离子源。另外,该氟负离子束有望用于蚀刻和材料表面改性等领域。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 研究背景和文献综述
  • 1.1 负离子的重要性和传统产生方法
  • 1.1.1 负离子的重要性
  • 1.1.2.负离子的传统产生和检测方法
  • 1.2 负离子发射材料简介
  • 2O3-stabilized ZrO2)材料'>1.2.1 YSZ(Y2O3-stabilized ZrO2)材料
  • 2O3）材料'>1.2.2 C12A7（12CaO·7Al2O3）材料
  • 1.3 本文的新进展
  • 参考文献
  • -材料的F-离子发射特性研究'>第2章 C12A7-F-材料的F-离子发射特性研究
  • 2.1 引言
  • -离子的研究背景'>2.1.1 F-离子的研究背景
  • 2.1.2 本章的工作
  • 2.2 实验装置及实验条件简介
  • 2.2.1 材料制备
  • 2.2.2 发射特性
  • -的制备'>2.3 C12A7-F-的制备
  • -发射特性研究'>2.4 C12A7-F-发射特性研究
  • 2.4.1 温度效应
  • 2.4.2 引出场效应
  • 2.4.3 表观活化能
  • 2.4.4 时间效应
  • 2.5 小结
  • 参考文献
  • -材料的F-离子存储特性研究'>第3章 C12A7-F-材料的F-离子存储特性研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验条件简介
  • 3.2.1 场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察
  • 3.2.2 BET比表面和孔径分析
  • 3.2.3 X射线衍射（XRD）晶相结构表征
  • 3.2.4 电子顺磁共振（EPR）测量
  • 3.2.5 离子色谱（IC）测量
  • 3.2.6 喇曼谱（RS）测量
  • -的结构表征'>3.3 C12A7-F-的结构表征
  • -的结构特性'>3.3.1 C12A7-F-的结构特性
  • -的存储特性'>3.3.2 C12A7-F-的存储特性
  • -材料形成和负离子发射机理探讨'>3.4 C12A7-F-材料形成和负离子发射机理探讨
  • -材料形成机理'>3.4.1 C12A7-F-材料形成机理
  • -材料发射机理'>3.4.2 C12A7-F-材料发射机理
  • 3.5 小结
  • 参考文献
  • -材料绝对发射电流密度的测量'>第4章 C12A7-F-材料绝对发射电流密度的测量
  • 4.1 引言
  • -材料绝对发射电流密度的测量'>4.2 C12A7-F-材料绝对发射电流密度的测量
  • 4.2.1 温度效应和引出场效应
  • 4.2.2 时间效应
  • 4.3 小结
  • -离子束在硅和二氧化硅蚀刻中究应用基础研'>第5章 F-离子束在硅和二氧化硅蚀刻中究应用基础研
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验材料和方法
  • 5.2.1 样品制备
  • 5.2.2 蚀刻装置
  • 5.2.3 材料蚀刻前后表征
  • -离子束对硅和二氧化硅蚀刻'>5.3 F-离子束对硅和二氧化硅蚀刻
  • -束对二氧化硅的蚀刻'>5.3.1 F-束对二氧化硅的蚀刻
  • -负离子束对硅的蚀刻'>5.3.2 F-负离子束对硅的蚀刻
  • 5.4 小结
  • 参考文献
  • 总结与展望
  • 1. 工作总结
  • 2. 工作展望
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
  • 致谢

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