退火温度对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和p型导电性能的影响

顾珊珊; 胡晓君; 黄凯

doi:10.7498/aps.62.118101

摘要

采用热丝化学气相沉积法制备硼掺杂纳米金刚石 (BDND) 薄膜, 并对薄膜进行真空退火处理, 系统研究退火温度对BDND薄膜微结构和电学性能的影响. Hall效应测试结果表明掺B浓度为5000 ppm (NHB) 的样品的电阻率较掺B浓度为500 ppm (NLB) 的样品的低, 载流子浓度高, Hall迁移率下降. 1000 ℃退火后, NLB和NHB 样品的迁移率分别为53.3和39.3 cm2·V-1·s-1, 薄膜的迁移率较未退火样品提高, 电阻率降低. 高分辨透射电镜、紫外和可见光拉曼光谱测试结果表明, NLB样品的金刚石相含量较NHB样品高, 高的硼掺杂浓度使薄膜中的金刚石晶粒产生较大的晶格畸变. 经1000 ℃退火后, NLB和NHB薄膜中纳米金刚石相含量较未退火时增大, 说明薄膜中部分非晶碳转变为金刚石相, 为晶界上B扩散到纳米金刚石晶粒中提供了机会, 使得纳米金刚石晶粒中B浓度提高, 增强纳米金刚石晶粒的导电能力, 提高薄膜电学性能. 1000 ℃退火能够恢复纳米金刚石晶粒的晶格完整性, 减小由掺杂引起的内应力, 从而提高薄膜的电学性能. 可见光Raman光谱测试结果表明, 1000℃退火后, Raman谱图中反式聚乙炔 (TPA) 的1140 cm-1峰消失, 此时薄膜电学性能较好, 说明TPA减少有利于提高薄膜的电学性能. 退火后金刚石相含量的增大、金刚石晶粒的完整性提高及TPA含量的大量减少有利于提高薄膜的电学性能.

关键词:

作者及机构信息

1.
浙江工业大学化学工程与材料学院, 杭州 310014

基金项目: 国家自然科学基金 (批准号: 50972129, 50602039) 和浙江省钱江人才计划 (批准号: 2010R10026) 资助的课题.

参考文献

[1]	Gracio J J, Fan Q H, Madaleno J C 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 374017
[2]	Achatz P, Garrido J A, Stutzmann M, Williams O A, Gruen D M, Kromka A, Steinmller D 2006 Appl. Phys. Lett. 88 101908
[3]	Qiu D J, Shi C R, Wu H Z 2002 Acta Phys. Sin. 51 1870 (in Chinese) [邱东江, 石成儒, 吴惠桢 2002 物理学报 51 1870]
[4]	Gruen D M 1999 Annu. Rev. Mater. Sci. 29 211
[5]	Fischer A E, Swain G M 2005 J. Electrochem. Soc. 152 369
[6]	Li S S, Ma H A, Li X L, Su T C, Huang G F, Li Y, Jia X P 2011 Chin. Phys. B 20 028103
[7]	Fujishima A, Rao T N, Popa E, Sarada B V, Yagi I, Tryk D A 1999 J. Electroanal. Chem. 473 179
[8]	Sarada B V, Rao T N, Tryk D A, Fujishima A 1999 J. Electrochem. Soc. 146 1469
[9]	Declements R, Swain G M 1997 J. Electrochem. Soc. 144 856
[10]	Williams O A, Nesladek M, Daenen M, Michaelson S, Hoffman A, Osawa E, Haenen K, Jackman R B 2008 Diam. Rel. Mater. 17 1080
[11]	Butler J E, Surnant A V 2008 Chem. Vap. Deposition 14 145
[12]	Gajewski W, Achatz P, Williams O A, Haenen K, Bustarret E, Stutzmann M, Garrido J A 2009 Phys. Rev. B 79 045206
[13]	Nesladek M, Mares J J, Tromson D, Mer C, Bergonzo P, Hubik P, Kristofik J 2006 Sci. Tech. Adv. Mater. 7 S41
[14]	Nesládek M, Tromson D, Mer C, Bergonzo P 2006 Appl. Phys. Lett. 88 232111
[15]	Souza F A, Azevedo A F, Giles C, Saito E, Baldan M R, Ferreira N G 2012 Chem. Vap. Deposition 18 159
[16]	Williams O A, Nesládek M 2006 Phys. Stat. Sol. (a) 13 3375
[17]	May P W, Ludlow W J, Hannaway M 2008 Diam. Rel. Mater. 17 105
[18]	Show Y, Witek M A, Sonthalia P 2003 Chem. Mater. 15 879
[19]	Li H, Sheldon B W, Kothari A, Ban Z, Walden B L 2006 J. Appl .Phys. 100 094309
[20]	Pan J P, Hu X J, Lu L P, Yin C 2010 Acta Phys. Sin. 59 7410 (in Chinese) [潘金平, 胡晓君, 陆利平, 印迟 2010 物理学报 59 7410]
[21]	Hu H, Hu X J, Bai B W, Chen X H, 2012 Acta Phys. Sin. 61 148101 (in Chinese) [胡衡, 胡晓君, 白博文, 陈小虎 2012 物理学报 61 148101]
[22]	Pearson G L, Bardeen J 1949 Phys.Rev. 75 865
[23]	Ferrari A C, Robertson J 2001 Phys. Rev. B 64 075414
[24]	Rodil S E, Muhl S, Maca S, Ferrari A C 2003 Thin Solid Films 433 119
[25]	Hu X J, Ye J S, Liu H J, Shen Y G, Chen X H, Hu H 2011 J. Appl .Phys. 109 053524
[26]	Wang S H, Swope V M, Butler J E 2009 Diam. Rel. Mater. 18 669
[27]	Ferrari A C, Robertson J 2001 Phys. Rev. B 63 121405
[28]	Teii K, Ikeda T 2007 Diam. Rel. Mater. 16 753
[29]	Chhowalla M, Ferrari A C, Robertson J 2000 Appl. Phys. Lett. 76 1419
[30]	Pfeiffer R, Kuzmany H, Knoll P, Bokova S, Salk N, Gnther B 2003 Diam. Relat. Mater. 12 268
[31]	Michaelson S, Hoffman A 2006 Diam. Rel. Mater. 15 486
[32]	Ferrari A C, Kleinsorge B, Morrison N A 1999 Appl. Phys. Lett. 85 7191

施引文献

[1]	Gracio J J, Fan Q H, Madaleno J C 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 374017
[2]	Achatz P, Garrido J A, Stutzmann M, Williams O A, Gruen D M, Kromka A, Steinmller D 2006 Appl. Phys. Lett. 88 101908
[3]	Qiu D J, Shi C R, Wu H Z 2002 Acta Phys. Sin. 51 1870 (in Chinese) [邱东江, 石成儒, 吴惠桢 2002 物理学报 51 1870]
[4]	Gruen D M 1999 Annu. Rev. Mater. Sci. 29 211
[5]	Fischer A E, Swain G M 2005 J. Electrochem. Soc. 152 369
[6]	Li S S, Ma H A, Li X L, Su T C, Huang G F, Li Y, Jia X P 2011 Chin. Phys. B 20 028103
[7]	Fujishima A, Rao T N, Popa E, Sarada B V, Yagi I, Tryk D A 1999 J. Electroanal. Chem. 473 179
[8]	Sarada B V, Rao T N, Tryk D A, Fujishima A 1999 J. Electrochem. Soc. 146 1469
[9]	Declements R, Swain G M 1997 J. Electrochem. Soc. 144 856
[10]	Williams O A, Nesladek M, Daenen M, Michaelson S, Hoffman A, Osawa E, Haenen K, Jackman R B 2008 Diam. Rel. Mater. 17 1080
[11]	Butler J E, Surnant A V 2008 Chem. Vap. Deposition 14 145
[12]	Gajewski W, Achatz P, Williams O A, Haenen K, Bustarret E, Stutzmann M, Garrido J A 2009 Phys. Rev. B 79 045206
[13]	Nesladek M, Mares J J, Tromson D, Mer C, Bergonzo P, Hubik P, Kristofik J 2006 Sci. Tech. Adv. Mater. 7 S41
[14]	Nesládek M, Tromson D, Mer C, Bergonzo P 2006 Appl. Phys. Lett. 88 232111
[15]	Souza F A, Azevedo A F, Giles C, Saito E, Baldan M R, Ferreira N G 2012 Chem. Vap. Deposition 18 159
[16]	Williams O A, Nesládek M 2006 Phys. Stat. Sol. (a) 13 3375
[17]	May P W, Ludlow W J, Hannaway M 2008 Diam. Rel. Mater. 17 105
[18]	Show Y, Witek M A, Sonthalia P 2003 Chem. Mater. 15 879
[19]	Li H, Sheldon B W, Kothari A, Ban Z, Walden B L 2006 J. Appl .Phys. 100 094309
[20]	Pan J P, Hu X J, Lu L P, Yin C 2010 Acta Phys. Sin. 59 7410 (in Chinese) [潘金平, 胡晓君, 陆利平, 印迟 2010 物理学报 59 7410]
[21]	Hu H, Hu X J, Bai B W, Chen X H, 2012 Acta Phys. Sin. 61 148101 (in Chinese) [胡衡, 胡晓君, 白博文, 陈小虎 2012 物理学报 61 148101]
[22]	Pearson G L, Bardeen J 1949 Phys.Rev. 75 865
[23]	Ferrari A C, Robertson J 2001 Phys. Rev. B 64 075414
[24]	Rodil S E, Muhl S, Maca S, Ferrari A C 2003 Thin Solid Films 433 119
[25]	Hu X J, Ye J S, Liu H J, Shen Y G, Chen X H, Hu H 2011 J. Appl .Phys. 109 053524
[26]	Wang S H, Swope V M, Butler J E 2009 Diam. Rel. Mater. 18 669
[27]	Ferrari A C, Robertson J 2001 Phys. Rev. B 63 121405
[28]	Teii K, Ikeda T 2007 Diam. Rel. Mater. 16 753
[29]	Chhowalla M, Ferrari A C, Robertson J 2000 Appl. Phys. Lett. 76 1419
[30]	Pfeiffer R, Kuzmany H, Knoll P, Bokova S, Salk N, Gnther B 2003 Diam. Relat. Mater. 12 268
[31]	Michaelson S, Hoffman A 2006 Diam. Rel. Mater. 15 486
[32]	Ferrari A C, Kleinsorge B, Morrison N A 1999 Appl. Phys. Lett. 85 7191

[1]	胡衡, 胡晓君, 白博文, 陈小虎. 退火时间对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和电化学性能的影响. 物理学报, 2012, 61(14): 148101. doi: 10.7498/aps.61.148101
[2]	王永谦, 陈长勇, 陈维德, 杨富华, 刁宏伟, 许振嘉, 张世斌, 孔光临, 廖显伯. a-Si∶O∶H薄膜微结构及其高温退火行为研究. 物理学报, 2001, 50(12): 2418-2422. doi: 10.7498/aps.50.2418
[3]	潘金平, 胡晓君, 陆利平, 印迟. 退火对B掺杂纳米金刚石薄膜微结构和电化学性能的影响. 物理学报, 2010, 59(10): 7410-7416. doi: 10.7498/aps.59.7410
[4]	袁昌来, 刘心宇, 马家峰, 周昌荣. Bi0.5Ba0.5Fe0.5Ti0.49Nb0.01O3热敏陶瓷的微结构和电学性能研究. 物理学报, 2010, 59(6): 4253-4260. doi: 10.7498/aps.59.4253
[5]	张强, 朱小红, 徐云辉, 肖云军, 高浩濒, 梁大云, 朱基亮, 朱建国, 肖定全. Mn4+掺杂对BiFeO3陶瓷微观结构和电学性能的影响研究. 物理学报, 2012, 61(14): 142301. doi: 10.7498/aps.61.142301
[6]	罗庆洪, 娄艳芝, 赵振业, 杨会生. 退火对AlTiN多层薄膜结构及力学性能影响. 物理学报, 2011, 60(6): 066201. doi: 10.7498/aps.60.066201
[7]	王峰浩, 胡晓君. 氧离子注入微晶金刚石薄膜的微结构与光电性能研究. 物理学报, 2013, 62(15): 158101. doi: 10.7498/aps.62.158101
[8]	王锐, 胡晓君. 氧离子注入纳米金刚石薄膜的微结构和电化学性能研究. 物理学报, 2014, 63(14): 148102. doi: 10.7498/aps.63.148102
[9]	蒋梅燕, 朱政杰, 陈成克, 李晓, 胡晓君. 硫离子注入纳米金刚石薄膜的微结构和电化学性能. 物理学报, 2019, 68(14): 148101. doi: 10.7498/aps.68.20190394
[10]	杨铎, 钟宁, 尚海龙, 孙士阳, 李戈扬. 磁控溅射(Ti, N)/Al纳米复合薄膜的微结构和力学性能. 物理学报, 2013, 62(3): 036801. doi: 10.7498/aps.62.036801
[11]	张增院, 郜小勇, 冯红亮, 马姣民, 卢景霄. 真空热退火温度对单相Ag2O薄膜微结构和光学性质的影响. 物理学报, 2011, 60(3): 036107. doi: 10.7498/aps.60.036107
[12]	王永谦, 陈维德, 陈长勇, 刁宏伟, 张世斌, 徐艳月, 孔光临, 廖显伯. 快速热退火和氢等离子体处理对富硅氧化硅薄膜微结构与发光的影响. 物理学报, 2002, 51(7): 1564-1570. doi: 10.7498/aps.51.1564
[13]	宋超, 陈谷然, 徐骏, 王涛, 孙红程, 刘宇, 李伟, 陈坤基. 不同退火温度下晶化硅薄膜的电学输运性质. 物理学报, 2009, 58(11): 7878-7883. doi: 10.7498/aps.58.7878
[14]	徐大庆, 张义门, 娄永乐, 童军. 热退火对Mn离子注入非故意掺杂GaN微结构、光学及磁学特性的影响. 物理学报, 2014, 63(4): 047501. doi: 10.7498/aps.63.047501
[15]	郭栋, 蔡锴, 李龙土, 桂治轮. 电解有机溶液法在Si表面制备类金刚石薄膜及退火对其结构的影响. 物理学报, 2001, 50(12): 2413-2417. doi: 10.7498/aps.50.2413
[16]	张彬, 王伟丽, 牛巧利, 邹贤劭, 董军, 章勇. H2气氛退火处理对Nb掺杂TiO2薄膜光电性能的影响. 物理学报, 2014, 63(6): 068102. doi: 10.7498/aps.63.068102
[17]	李勇, 王应, 李尚升, 李宗宝, 罗开武, 冉茂武, 宋谋胜. 硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究. 物理学报, 2019, 68(9): 098101. doi: 10.7498/aps.68.20190133
[18]	张金帅, 黄秋实, 蒋励, 齐润泽, 杨洋, 王风丽, 张众, 王占山. 低温退火的X射线W/Si多层膜应力和结构性能. 物理学报, 2016, 65(8): 086101. doi: 10.7498/aps.65.086101
[19]	孙成伟, 刘志文, 张庆瑜. 退火温度对ZnO薄膜结构和发光特性的影响. 物理学报, 2006, 55(1): 430-436. doi: 10.7498/aps.55.430
[20]	方泽波, 龚恒翔, 刘雪芹, 徐大印, 黄春明, 王印月. 退火对多晶ZnO薄膜结构与发光特性的影响. 物理学报, 2003, 52(7): 1748-1751. doi: 10.7498/aps.52.1748

引用本文:

Citation:

计量

文章访问数: 7149
PDF下载量: 925
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板