关于金刚石结晶中五次对称轴的研究 物理学院杨锐喆00104076 在上一次的电子显微镜实验中,我们观察到了金刚石样品的表面有很少的具有五次对称 轴的结构出现,经过查阅相关论文,找到了一些解释这一现象的方法。主要的图形和数据来 自参考文献[ 化学气相沉积(CVD)金刚石的主要晶体缺陷为孪晶、层错和位错。这些缺陷可以存在于 晶内或者晶界:缺陷密度、杂质含量与化学气相沉积的沉积条件有很大关系;一般缺陷密度 和杂质含量随甲烷浓度的增加而增加:杂质的存在也直接影响金刚石晶体缺陷的形成;这些 原因直接导致了CVD金刚石的五次孪晶的产生[] 金刚石晶粒孪晶现象一般出现在同一条件下连续沉积一定时间之后,孪晶的产生取决于 气相中活性分子浓度和生长表面的活性位数目,当活性分子浓度大于活性位数目时,晶粒沿 纵向和横向同时生长,形成孪晶的几率增大。金刚石的孪晶缺陷会因不同的生长面而不同 金刚石晶粒长大过程中(100)面方向长大时产生的缺陷较少,而(111)面方向长大时产生 密度很高的微孪晶缺陷[2] 金刚石晶体内存在大量的显微孪晶,主要分布在{11晶面上,并可在晶体表面观察到。 (100)面和(111)面不同,(100)面很光洁平整,没有条纹和台阶。这说明(100)面的缺 陷比(111)面少。晶体缺陷和晶体取向之间的关系是由不同生长面的特性造成,生长面是 (111)面时,表面形核相对容易些,在{111)面上原子排列次序为 ABCABO:形成孪晶后, 原子排列次序为 AbCabACBA,形成孪晶面仅需要将C-A旋转60°。在{100}面上原子排 列次序为 ABABAB,形成孪晶的排列次序为 ABABBABA,形成孪晶晶面需要A层原子平 移才行,所需的能量较高:更因金刚石为共价晶体,CC键合力极强,因而在{100}面上晶 核生长时,难以形成层错和孪晶。 下面通过具体计算解释五次对称轴的形成 考虑金刚石晶体的晶面{111}和{1-1},它们是五次孪晶一个瓣的两个晶面,其夹角为 cos e l×1+1×1+1×(-1) √G2+12+1)r2+12+1P)3 (1) s()≈70.5(2) 可以注意到这里的70.5度和形成五次对称轴所需要72度十分接近。 孪晶是一种特殊的堆垛层错现象。对于一个正常的金刚石晶体,其堆积方式是六角密积
关于金刚石结晶中五次对称轴的研究 物理学院 杨锐喆 00104076 在上一次的电子显微镜实验中，我们观察到了金刚石样品的表面有很少的具有五次对称 轴的结构出现，经过查阅相关论文，找到了一些解释这一现象的方法。主要的图形和数据来 自参考文献[1]。 化学气相沉积(CVD)金刚石的主要晶体缺陷为孪晶、层错和位错。这些缺陷可以存在于 晶内或者晶界；缺陷密度、杂质含量与化学气相沉积的沉积条件有很大关系；一般缺陷密度 和杂质含量随甲烷浓度的增加而增加；杂质的存在也直接影响金刚石晶体缺陷的形成；这些 原因直接导致了 CVD 金刚石的五次孪晶的产生[1]。 金刚石晶粒孪晶现象一般出现在同一条件下连续沉积一定时间之后，孪晶的产生取决于 气相中活性分子浓度和生长表面的活性位数目，当活性分子浓度大于活性位数目时，晶粒沿 纵向和横向同时生长，形成孪晶的几率增大。金刚石的孪晶缺陷会因不同的生长面而不同。 金刚石晶粒长大过程中（100）面方向长大时产生的缺陷较少，而（111）面方向长大时产生 密度很高的微孪晶缺陷[2]。 金刚石晶体内存在大量的显微孪晶，主要分布在{111}晶面上，并可在晶体表面观察到。 (100)面和（111）面不同，（100）面很光洁平整，没有条纹和台阶。这说明（100）面的缺 陷比（111）面少。晶体缺陷和晶体取向之间的关系是由不同生长面的特性造成，生长面是 （111）面时，表面形核相对容易些，在{111}面上原子排列次序为 ABCABC；形成孪晶后， 原子排列次序为 ABCABACBA，形成孪晶面仅需要将 C--A 旋转 60°。在{100}面上原子排 列次序为 ABABAB，形成孪晶的排列次序为 ABABBABA，形成孪晶晶面需要 A 层原子平 移才行，所需的能量较高；更因金刚石为共价晶体，C-C 键合力极强，因而在{100}面上晶 核生长时， 难以形成层错和孪晶。 下面通过具体计算解释五次对称轴的形成： 考虑金刚石晶体的晶面{111}和{11-1}，它们是五次孪晶一个瓣的两个晶面，其夹角为 2 2 22 2 2 1 1 1 1 1 ( 1) 1 cos (1 1 1 )(1 1 1 ) 3 θ × + × + ×− = = ++ ++ （1） 1 arccos( ) 70.5 3 θ = ≈ o （2） 可以注意到这里的 70.5 度和形成五次对称轴所需要 72 度十分接近。 孪晶是一种特殊的堆垛层错现象。对于一个正常的金刚石晶体，其堆积方式是六角密积
中的 ABCABC式重复结构,其原胞是面心立方的布拉伐格子。下面考虑孪晶的形成:在面 心立方的布拉伐格子中,{111}晶面族可以看成堆积面。如图一所示,左边的堆积情况是 ABCABC,而右边成关于{111)面对称的分布,堆积情况是 CBACBA,总的排列是对称分布 的 CBACBABCABO,中间的A代表孪晶界面。这样的话,两个孪晶瓣就连接起来了,以类 似的方式,选取其他的堆积面即可得到五次孪晶。 转轴为五重孪晶旋转轴。 5个孪晶瓣绕公共的五重孪晶旋转轴旋转排列而成。每次旋转70.5°,因此总共 旋转了3525°,留下7.5°的“缺口”或者“错配度”。五重孪晶排列示意图如图二。这个 7.5°错配不一定集中在两个孪晶瓣之间。D. Dorignac等[3]用高分辩率透射电子显微镜观 察到1个五重孪晶中心,发现其五部分的角度分别是:70.5°,71°,73°,71.5°和74.5 °。为了弥补75°错配,五重孪晶颗粒在生长时一般在孪晶界形成许多堆垛层错、位错。 B. E Williams等[3]在研究中观察到CⅤD金刚石的五重孪晶中心在生长过程中会发生变 形;五重孪晶的75°错配不是通过弹性变形来弥补,而是通过一系列位错来弥补,这些沿 着孪晶界的位错可以被看作一个低角晶界和一个孪晶界重叠而成
中的 ABCABC 式重复结构，其原胞是面心立方的布拉伐格子。下面考虑孪晶的形成：在面 心立方的布拉伐格子中，{111}晶面族可以看成堆积面。如图一所示，左边的堆积情况是 ABCABC，而右边成关于{111}面对称的分布，堆积情况是 CBACBA，总的排列是对称分布 的 CBACBABCABC，中间的 A 代表孪晶界面。这样的话，两个孪晶瓣就连接起来了，以类 似的方式，选取其他的堆积面即可得到五次孪晶。 图一：两个孪晶排列方式 五重孪晶是高次孪晶。一般金刚石、氮化硼、硅、锗和金等面心立方晶体都有可能形成 五重孪晶。金刚石的五重孪晶团块是由 5 个“瓣”组成，每一个瓣相当于五重孪晶中的一 个孪晶片体；两个瓣之间的界面便是五重孪晶界。金刚石的五重孪晶的孪晶面是{111}面， 以为五重孪晶旋转轴。 5 个孪晶瓣绕公共的五重孪晶旋转轴旋转排列而成。每次旋转 70.5°，因此总共 旋转了 352.5°，留下 7.5°的“缺口”或者“错配度”。五重孪晶排列示意图如图二。这个 7.5°错配不一定集中在两个孪晶瓣之间。D. Dorignac 等[3] 用高分辩率透射电子显微镜观 察到 1 个五重孪晶中心，发现其五部分的角度分别是：70.5°，71°，73°，71.5°和 74.5 °。为了弥补 7.5°错配，五重孪晶颗粒在生长时一般在孪晶界形成许多堆垛层错、位错。 B. E.Williams 等[3] 在研究中观察到 CVD 金刚石的五重孪晶中心在生长过程中会发生变 形；五重孪晶的 7.5°错配不是通过弹性变形来弥补，而是通过一系列位错来弥补，这些沿 着孪晶界的位错可以被看作一个低角晶界和一个孪晶界重叠而成。 孪晶面{111} 晶面{11-1} 转轴 晶面{001} 。。CBACB ABCABC
图2五重孪晶排列示意图 Fig 2 schematic diagram of five-fold twin 摘自参考文献[]FlG2 参考文献 黄元盛,罗承萍,邱万奇化学气相沉积金刚石薄膜的晶体缺陷和杂质中国表面工程 2004,64(1):5-9 2]袁逸,杨保雄,白元强,等微波等离子体CVD金刚石薄膜的显微结构卩.北京科技大 学学报,1994,16(3):245-249 3] Dorignac D, Serin V, Delclos S, et al. HREM and EXELFS investigation of local structure thin Cvd diamond films []. Diamond and Related Materials, 1997, 6: 758-76
摘自 参考文献[1] FIG.2 参考文献 [1] 黄元盛，罗承萍，邱万奇化学气相沉积金刚石薄膜的晶体缺陷和杂质 中国表面工程 2004，64 (1):5-9 [2] 袁逸，杨保雄，白元强, 等 微波等离子体 CVD 金刚石薄膜的显微结构 [J]. 北京科技大 学学报, 1994, 16(3): 245-249. [3] Dorignac D, Serin V, Delclos S, et al. HREM and EXELFS investigation of local structure in thin CVD diamond films [J]. Diamond and Related Materials, 1997, 6: 758-762