新型硼碳氮薄膜的化學(xué)氣相生長及其結(jié)構(gòu)和性質(zhì).pdf

1、與六方氮化硼相比，硼碳氮具有大為改善的導(dǎo)電性和可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本論文利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積方法生長了由納米片層組成的硼碳氮薄膜，其制備是基于六方氮化硼薄膜的生長工藝，通過在生長過程中同時(shí)引入CH4氣體實(shí)現(xiàn)三元硼碳氮薄膜的生長。在此基礎(chǔ)上，基于其重要應(yīng)用前景，本論文考察了硼碳氮薄膜在發(fā)光和電子場(chǎng)發(fā)射方面的性質(zhì)，并初步建立了硼碳氮薄膜材料的結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)之間的關(guān)系。
　　本論文首先較為系統(tǒng)地研究了生長工藝參

2、數(shù)對(duì)六方氮化硼納米片層薄膜生長的影響規(guī)律，建立了其可控生長的工藝條件。研究發(fā)現(xiàn)，工作氣壓對(duì)薄膜的生長速率影響很大。過低的氣壓下薄膜的生長速率過低，而過高的氣壓導(dǎo)致結(jié)晶性的惡化。在本研究中，較為適宜的工作氣壓是6 kPa，在該氣壓條件下，在硅基底上獲得的氮化硼薄膜樣品厚度分布均勻且具有較大的片層結(jié)構(gòu)和間距，形核所需時(shí)間為10-30 min。研究還發(fā)現(xiàn)，延長沉積時(shí)間，薄膜厚度增加但是對(duì)單個(gè)片層的尺寸影響不大。
　　基于上述研究結(jié)果，本

3、論文進(jìn)而考察了碳元素的引入對(duì)氮化硼薄膜形貌、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，摻入不同含量的碳元素獲得了兩種具有不同形貌結(jié)構(gòu)特征的硼碳氮薄膜。當(dāng)碳的含量相對(duì)較低時(shí)，所得硼碳氮薄膜是由定向排列的納米片層組成。這些硼碳氮薄膜經(jīng)掃描電鏡和透射電鏡分析表明，其納米片層的長度為300-500 nm，厚度為20-40 nm，這些納米片層鋒利的邊是由2到20個(gè)原子層組成的，層間距為0.331-0.334 nm，與六方氮化硼晶體的（002）原子層間距近似。在

4、典型工藝條件下，采用He、N2、BF3、H2和CH4的氣流量分別為150、200、80、40和3 sccm得到的樣品，電子能量損失譜表明，硼、碳、氮的含量百分比為（21.86±2.7）％、（14.40±1.7）%、（63.73±7.7）%。光電子能譜及紅外光譜測(cè)試表明，大部分摻入的碳原子都和氮原子結(jié)合。硼碳氮薄膜表現(xiàn)出良好的發(fā)光性能，其發(fā)光峰位于355 nm、388 nm和506 nm。同時(shí)，由于改進(jìn)的導(dǎo)電性及其獨(dú)特的納米片層結(jié)構(gòu)，硼碳

5、氮薄膜具有較好的場(chǎng)發(fā)射性能，開啟電場(chǎng)強(qiáng)度為33.36 V/μm，最大電流密度為1.542 mA/cm2。
　　當(dāng)引入較高含量的碳元素時(shí)，得到了由球狀顆粒組成的薄膜。球狀顆粒的直徑在0.3-1.2μm范圍內(nèi)變化。有意思是，這些微球也是由納米片層組成的，其組成單元納米片層長度約為400-500 nm，厚度小于20 nm。拉曼光譜在1357 cm-1和1587 cm-1有較強(qiáng)的峰值，對(duì)應(yīng)于石墨的D帶和G帶。電子能量損失譜表明硼、碳、氮的