近代物理实验 Augus等人的研究表明,原子氢对石墨的刻蚀率比对金刚石的高2-3个量级。利用非 平衡反应能够在非高温高压条件下生成金刚石。热丝法金刚石的气相沉积主要经历以下四个 过程 1.CH4-H2混合物的活化,由热丝提供 2.活化的气体输运到样品表面 3.在衬底上同时沉积含有sp2键和sp3键的碳: 4.原子氢刻蚀共生的sp2的碳。 原子氢在生长的过程中不仅对石墨起了蚀刻作用,而且很容易与其余的剩余气体反应 生成对沉积有用的气相基团。金刚石晶体中碳原子成严格的四面体结构,表层碳原子将有 个轨道未成键。在真空中,这些轨道互相重叠,形成与石墨相似的丌键。特别是(111)面 上的碳原子六角型结构将发生重构。变得更为类似石墨的层状结构。通常金刚石将沿该面生 长,于是金刚石不但有了很大的表面能,不利于上面成键各种物质:而且在化学气相成键金 刚石薄膜过程中由于以生长的金刚石表面更接近于石墨结构,在上面将有利于石墨的生长 从而导致沉积失败。 而引入原子氢之后,由于C一H键能大于C-C键能,因而原子氢吸附在表面,当原子氢 饱和了表面所有悬键之后,金刚石的结构在表面得以保持,减少了石墨生长和成核 归纳起来,原子氢的作用有 优先蚀刻石墨,造成有利于金刚石生长的动力学优势 2.H吸附在金刚石表面使碳维持$p'结构 3.减少金刚石临界形核尺寸 4.与气相中的碳氢化合物反应,并产生有利于金刚石生长的基团: 5.萃取吸附在金刚石表面的氢原子,产生局部活性位,而不致于引起表面重构,使碳氢基 团能吸附上去,并形成金刚石结构。 下图是热丝CVD装置示意图 气压计 进气管道 质量流量计 钨丝 观察窗 衬底 样品台 水冷 反应室 抽怎L主阀一 第2页共5页近 代 物 理 实 验 第 2 页 共 5 页 Augus 等人的研究表明，原子氢对石墨的刻蚀率比对金刚石的高 2－3 个量级。利用非 平衡反应能够在非高温高压条件下生成金刚石。热丝法金刚石的气相沉积主要经历以下四个 过程: 1．CH H 4 2 − 混合物的活化，由热丝提供； 2．活化的气体输运到样品表面； 3．在衬底上同时沉积含有 2 sp 键和 3 sp 键的碳； 4．原子氢刻蚀共生的 2 sp 的碳。 原子氢在生长的过程中不仅对石墨起了蚀刻作用，而且很容易与其余的剩余气体反应， 生成对沉积有用的气相基团。金刚石晶体中碳原子成严格的四面体结构，表层碳原子将有一 个轨道未成键。在真空中，这些轨道互相重叠，形成与石墨相似的π 键。特别是（111）面 上的碳原子六角型结构将发生重构。变得更为类似石墨的层状结构。通常金刚石将沿该面生 长，于是金刚石不但有了很大的表面能，不利于上面成键各种物质；而且在化学气相成键金 刚石薄膜过程中由于以生长的金刚石表面更接近于石墨结构，在上面将有利于石墨的生长， 从而导致沉积失败。 而引入原子氢之后，由于 C－H 键能大于 C－C 键能，因而原子氢吸附在表面，当原子氢 饱和了表面所有悬键之后，金刚石的结构在表面得以保持，减少了石墨生长和成核。 归纳起来，原子氢的作用有： 1． 优先蚀刻石墨，造成有利于金刚石生长的动力学优势； 2． H 吸附在金刚石表面使碳维持 3 sp 结构； 3． 减少金刚石临界形核尺寸； 4． 与气相中的碳氢化合物反应，并产生有利于金刚石生长的基团； 5． 萃取吸附在金刚石表面的氢原子，产生局部活性位，而不致于引起表面重构，使碳氢基 团能吸附上去，并形成金刚石结构。 下图是热丝 CVD 装置示意图