新型硼碳氮薄膜的化學氣相生長及其結構和性質.pdf

1、與六方氮化硼相比，硼碳氮具有大為改善的導電性和可調的能帶結構，在應用上具有獨特的優(yōu)勢。本論文利用微波等離子體化學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引入CH4氣體實現三元硼碳氮薄膜的生長。在此基礎上，基于其重要應用前景，本論文考察了硼碳氮薄膜在發(fā)光和電子場發(fā)射方面的性質，并初步建立了硼碳氮薄膜材料的結構與其性質之間的關系。
　　本論文首先較為系統(tǒng)地研究了生長工藝參

2、數對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，工作氣壓對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，而過高的氣壓導致結晶性的惡化。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構和間距，形核所需時間為10-30 min。研究還發(fā)現，延長沉積時間，薄膜厚度增加但是對單個片層的尺寸影響不大。
　　基于上述研究結果，本

3、論文進而考察了碳元素的引入對氮化硼薄膜形貌、結構和性質的影響。研究發(fā)現，摻入不同含量的碳元素獲得了兩種具有不同形貌結構特征的硼碳氮薄膜。當碳的含量相對較低時，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試表明，大部分摻入的碳原子都和氮原子結合。硼碳氮薄膜表現出良好的發(fā)光性能，其發(fā)光峰位于355 nm、388 nm和506 nm。同時，由于改進的導電性及其獨特的納米片層結構，硼碳

5、氮薄膜具有較好的場發(fā)射性能，開啟電場強度為33.36 V/μm，最大電流密度為1.542 mA/cm2。
　　當引入較高含量的碳元素時，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有較強的峰值，對應于石墨的D帶和G帶。電子能量損失譜表明硼、碳、氮的