近代物理实验 最关键的部分应当是原子氢H的存在,它的重要性在上面的原理中已经讨论过了,在 实验原理中也已经得到了很好的说明 本实验如何获得碳源 实验中是通过高温分解甲烷得到的碳 本实验如何控制甲烷和氢气的流量? 通过质量流量计来控制流量(实际上它是一个电阻传感器,当气体从电阻旁流过时, 会带走一部分热量,流速越大,电阻的温度越低)。由于不同的气体流过时,降温的性能 不同,在计算流量时,H2与CH4流量分别为流量计读数乘1.02、0.72。 d.本实验采用什么方法来维持反应室的工作气压? 本实验通过一个针阀抽气的方法使得反应室里面达到一个动态平衡,所以反应时要不 停的观察气压计,随时调节针阀以控制气压不变,为0.005~0.008MP。 e.一般认为衬底上什么位置容易成为核中心位置? 一般认为衬底上有缺陷和杂质的位置容易成为核中心位置 为什么要水冷? 水冷一方面是保证金刚石生长所需的温度范围(金刚石生长时的温度由石墨垫片厚度 基片与灯丝距离以及冷却水的大小来控制),另外,也保证仪器不会因为高温而损坏 g.本实验采用什么实验方法来表征金刚石膜是否生成? 本实验利用扫描电镜表征金刚石膜的生成,因为金刚石有良好的晶形,棱角清晰,形 貌与石墨等其他碳有明显的不同,所以很容易分辨。 为什么低压下能生长金刚石膜? 虽然在非高压下金刚石是亚稳相,而石墨是稳定相。但是在反应中引入了原子氢后, 在生长金刚石的非平衡反应中原子氢优先蚀刻石墨,造成有利于金刚石生长的动力学优势 在如下的反应方程中 nC eC 石墨的量减少,由非平衡化学反应的知识可知,在确定的物理条件下,反应物与生成物的 物质的量的关系要满足反应平衡常数,所以反应会向正向进行,生成金刚石。 2.讨论与分析 a.金刚石表面能很大,很难以自己为衬底进行化学沉积,所以要使用其它材料,比如硅 基片,C-H键取代硅基片表面的H被吸附住,这些C-H键可以在表面移动,也可与其它的C-H 键交换,这样容易形成动态饱和,形成稳定交换,而C-H键的多少决定了C-C的形成,也就 是金刚石的形成。所以不同衬底生成的金刚石质量取决于衬底对C-H键的吸附能力,吸附 能力越强,形成的金刚石膜质量越好。 基片的温度较低时,活性基团表面的氢原子被C-H键替换的几率小,基团之间及活性 碳原子与基团之间不能直接以C-C键取代C-H键而形成金刚石晶粒,所以在低温下金刚 石的晶核密度小,生长速率低,非晶碳的含量高。在适当的温度(比如本实验)下,氢原 子被替换几率增加,可以得到很好的金刚石生长效果。 另外碳的浓度也会影响金刚石的生长,浓度过高或过低都不会得到好的效果。 所以实验中控制好实验条件(温度等),以及各反应成分的比例是十分重要的。 b.实验中加入了惰性气体Ar,实际上它只是起到了一个特定的促进作用。首先,Ar可以 提高衬底的温度,Ar也会使实验中的C2基团浓度加大,从而使实验更彻底的进行。其次, 第4页共5页近 代 物 理 实 验 第 4 页 共 5 页 最关键的部分应当是原子氢H 的存在，它的重要性在上面的原理中已经讨论过了，在 实验原理中也已经得到了很好的说明。 b. 本实验如何获得碳源？ 实验中是通过高温分解甲烷得到的碳。 c. 本实验如何控制甲烷和氢气的流量？ 通过质量流量计来控制流量（实际上它是一个电阻传感器，当气体从电阻旁流过时， 会带走一部分热量，流速越大，电阻的温度越低）。由于不同的气体流过时，降温的性能 不同，在计算流量时， H2 与CH4 流量分别为流量计读数乘1.02、0.72。 d. 本实验采用什么方法来维持反应室的工作气压？ 本实验通过一个针阀抽气的方法使得反应室里面达到一个动态平衡，所以反应时要不 停的观察气压计，随时调节针阀以控制气压不变，为0.005～0.008 MP。 e. 一般认为衬底上什么位置容易成为核中心位置？ 一般认为衬底上有缺陷和杂质的位置容易成为核中心位置。 f. 为什么要水冷？ 水冷一方面是保证金刚石生长所需的温度范围(金刚石生长时的温度由石墨垫片厚度， 基片与灯丝距离以及冷却水的大小来控制)，另外，也保证仪器不会因为高温而损坏。 g. 本实验采用什么实验方法来表征金刚石膜是否生成？ 本实验利用扫描电镜表征金刚石膜的生成，因为金刚石有良好的晶形，棱角清晰，形 貌与石墨等其他碳有明显的不同,所以很容易分辨。 f. 为什么低压下能生长金刚石膜？ 虽然在非高压下金刚石是亚稳相，而石墨是稳定相。但是在反应中引入了原子氢后， 在生长金刚石的非平衡反应中原子氢优先蚀刻石墨，造成有利于金刚石生长的动力学优势. 在如下的反应方程中： nC ⇔ C C Diamand Grapite + 石墨的量减少，由非平衡化学反应的知识可知，在确定的物理条件下，反应物与生成物的 物质的量的关系要满足反应平衡常数，所以反应会向正向进行,生成金刚石。 2. 讨论与分析 a. 金刚石表面能很大，很难以自己为衬底进行化学沉积，所以要使用其它材料，比如硅 基片,C-H键取代硅基片表面的H被吸附住，这些C-H键可以在表面移动，也可与其它的C-H 键交换，这样容易形成动态饱和，形成稳定交换，而C-H键的多少决定了C-C的形成，也就 是金刚石的形成。所以不同衬底生成的金刚石质量取决于衬底对C-H键的吸附能力，吸附 能力越强，形成的金刚石膜质量越好。 基片的温度较低时，活性基团表面的氢原子被C-H键替换的几率小，基团之间及活性 碳原子与基团之间不能直接以C-C键取代C-H 键而形成金刚石晶粒，所以在低温下金刚 石的晶核密度小，生长速率低，非晶碳的含量高。在适当的温度（比如本实验）下，氢原 子被替换几率增加，可以得到很好的金刚石生长效果。 另外碳的浓度也会影响金刚石的生长，浓度过高或过低都不会得到好的效果。 所以实验中控制好实验条件（温度等），以及各反应成分的比例是十分重要的。 b. 实验中加入了惰性气体Ar，实际上它只是起到了一个特定的促进作用。首先，Ar可以 提高衬底的温度，Ar也会使实验中的C2 基团浓度加大，从而使实验更彻底的进行。其次