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1、中国科学技术大学硕士学位论文两种碳基薄膜材料的CVD生长及其性质研究姓名：牛晓滨申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：方容川;廖源2003.5.1中国科学技术大学硕士学位论文两种碳基薄膜材料的C V D 生长及其性质研究摘要碳基薄膜材料，如金刚石薄膜、类金刚石薄膜、碳化物薄膜、硅碳氮薄膜以及相应的纳米颗粒薄膜和纳米线形成的薄膜，具有良好力学、热学、光学和电学性质。这类材料具有一系列优良的性能，已经或将要在高技术应用和科研中起到关键作用。在这类材料的制备中，化学气相沉积( C V D ) 方法是较为常用的方法，被广泛应用于各种高质量特种功能薄膜的制备中。类金刚石薄膜是一种在很多性质上接近金
2、刚石的非晶材料，特别是具有在红外甚至部分可见光区透明的特点，所以它可以用来作为光学玻璃上的保护和消反射涂层。为了实现这个应用，我们利用热丝化学气相沉积法研究了类金刚石薄膜在熔融石英衬底上的沉积过程及其光学性质。S i C N 薄膜也是一种碳基材料，在力学、光学、场发射等方面表现出优良性质，使得它在平板显示、太阳能电池和高硬度薄膜材料等方面具有很好的应用前景。我们酋次使用H F C V D 系统在不加偏压的情况下成功的在S i ( 1 0 0 ) 衬底上制备出了S i C N 薄膜并对其性质结构和生长机理进行了研究和分析。第一章综述了类金刚石薄膜的研究历史。比较了类金刚石薄膜的多种不同的制备方法
3、和表征手段，系统总结了类金刚石薄膜的结构、性质和应用，给读者一个类金剐石薄膜的概述。第二章介绍了我们在H F C V D 系统中采用甲烷和氢气混合气体，在熔融石英衬底上制备出了均匀的、质地坚硬的、高透过率的类金刚石薄膜。并对样品进行了R a m a n 散射谱、A F M 和透过率的测量。样品的R a m a n 光谱图证明了所制成的样品是同时含有s p 3 杂化态和s p 2 杂化态的致密坚硬的无定型碳膜，即类金刚石薄膜。并且样品在4 0 0 r i m 以上紫外到红外波段范围内都呈现出极高的透过率( 8 0 以上) ，极适合于作为光学玻璃的保护和消反射涂层。同时我们还研究了类金刚石薄膜生长
4、与衬底温度、灯丝温度、生长时间和甲烷浓度等生长条件的关系。实验结果表明，与金刚石薄膜的制备相比，其对灯丝温度和C H 4 H 2 比值等中目科学技术大学硕士学位论文条件的要求较为宽松。第三章回顾了S i C N 薄膜作为一种新型材料的研究进展的。总结了制备S i C N薄膜的几种方法，并指出H F C V D 是一种常用的低温低压下生长薄膜的方法，这种方法由于具有简单经济、生长速度快、易于实现大面积生长等优点而广泛应用于薄膜材料的制备。第四章研究了在没有偏压辅助的情况下H F C V D 中S i C N 薄膜的生长过程。由于热丝系统是一个典型的热反应系统，有利于避开复杂的等离子体反应的影响，
5、为研究S i C N 薄膜的生长机理提供了一个有利的工具。分析表明S i C N 薄膜中含有大量的直径3 微米左右的棒状结构，而这些棒状结构是由纳米结构的S i C N晶体和非晶成份构成的。X P S 和F T I R 结果表明S i C N 薄膜是由包含着C = N 、S i N和C N 键的共价化学键构成的，但是并没有发现c S i 的存在。H R T E M ，S A E D和X R D 分析进一步说明薄膜样品是由一些无定型S i C N 基体及生长在其中的具有类似于c t - s i 3 f q 4 结构的纳米晶粒组成的。由这些结果我们认为S i C N 薄膜可能是以n s i 3 N
6、 4 结构为框架，其中部分硅再被碳原子所取代而生成的。中国科学技术大学顶L 学位论文A b s t r a c tC a r b o n - b a s e df i l mm a t e r i a l s ，s u c ha sd i a m o n df i l m ，d i a m o n dl i k ec a r b o nf i l m( I ) L C ) ，c a r b i d ef i l m ，t h es i l i c o nc a r b o nn i t r i d e ( S i C N ) f i l ma n dt h ec o r r e s p o n
7、 d i n gn a n o s t u c t r u e df i l m s ，a r et h em a t e r i a l st h a th a v eg o o dq u a l i t i e si nm e c h a n i c s ，c a l o r i f i c s ，o p t i c sa n de l e c t r i c s T h e s em a t e r i a l sh a v eb e e no rw i l lb eu s e di ns c i e n t i f i cr e s e a r c h e sa n dh i g ht
8、 e c ha p p l i c a t i o n sb e c a u s eo ft h e i re x t r a o r d i n a r yp r o p e r t i e s H o t - f i l a m e n tc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( H F C V D ) i so f t e nu s e di nt h ep r e p a r a t i o no f t h e s em a t e r i a l s D L Cf i l m sf e a t u r eh i g hh a r d
9、 n e s s 1 0 wf r i c t i o nc o e m c i e n t g o o di n s u l a t i n gp r o p e r t y ，c h e m i c a li n e r t n e s s ，w i d eb a n dg a pa n de s p e c i a l l yh i g ho p t i c a lt r a n s p a r e n c yi nt h eI Rr e g i o n S ot h e yc a nb eu s e da sp r o t e c t i v ec o a t i n go ns o
10、m eI R * r e g i o nt r a n s p a r e n tm a t e r i a l s T oa c h i e v et h i sa p p l i c a t i o n ，w es u c c e s s f u l l yp r e p a r e dD L Cf i l m so nf u s e dq u a r t z ，w h i c ha st h es u b s t r a t ei st r a n s p a r e n ti nI Ra n dv i s i b l er e g i o n ，t h r o u g hH F C V
11、 Dm e t h o d S i C Nf i l m sa r ea l s ot h ec a r b o n b a s e dm a t e r i a l sa n dh a v et h es p a c i o u sa p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nf l a td i s p l a y , s o l a rb a t t e r ya n dh i g hh a r d n e s sc o a tb e c a u s eo ft h e i ro u t s t a n d i n gm e c h a n i c
12、 a l ，o p t i c a la n df i e l de m i s s i o n sp r o p e r t i e s W es u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e dS i C Nf i l m so ns i l i c o ns u b s t r a t eb yH F C V Dw i t h o u tb i a sa n di n v e s t i g a t e dt h e i rs t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n dg r o w t hp r o c e s
13、 s e s I nc h a p t e ro n e ，w eb r i e f l yo u t l i n et h er e s e a r c hh i s t o r y , t h ed i f f e r e n tm e t h o d so ff a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n ，t h es t r u c t u r ef e a t h e r sa n dp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o no nD L Cf i l m s H e
14、 r ew ep r e s e n tt h es u r v e yo fD L Ct ot h er e a d e r s I nC h a p t e rt w o ，w ed i s p l a yo u re x p e r i m e n ts u c c e s sO np r e p a r i n gD L Cf i l m so nf u s e dq u a r t zt h r o u g hH F C V D T h eD L Cf i l m sw ep r e p a r e da r eh a r d ，h i g h l yI R r e g i o nt
15、 r a n s p a r e n ta n dw e l ld i s t r i b u t e d S os u c hD L Cf i l m sC a nb ea p p l i e da sp r o t e c t i v ec o a t i n gm a t e r i a l s W ea l s os t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r o w t ho fD L Cf i l m sa n dt h et e m p e r a t u r eo ft h ef i l a m e
16、n t ，t e m p e r a t u r eo fs u b s t r a t e ，t i m eo fg r o w t h ，c o n c e n t r a t i o no fm e t h a n e 中周科学技术犬学坝。J 二学位论文I nC h a p t e rt h r e e ，t h er e s e a r c hh i s t o r y , p r e s e n ts t a t u sa n dp r e p a r a t i o nm e t h o d so fS i C Nf i l ma san o v e lm a t e r i a la r er e v i e w e d H F C V Di san o r m a lm e t h o di np r e p a r a t i o nt h i nf i l m su n d e rl o wt e m p e r a t u r ea n dl o wp r e s s u r eI nC h a p t e r
