简小刚,唐金垚,马千里,胡吉博,尹明睿

(同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

0 引 言

在传统化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)金刚石薄膜的过程中，采用的反应气体一般为烷烃类和氢气，并且氢气含量占到总气体含量的95%以上。其中烷烃类作为碳源为金刚石外延生长提供甲基、亚甲基等反应基团；氢分子能裂解生成高能氢原子，通过氢化金刚石的表面来维持最外层C原子的sp3杂化结构，同时能萃取金刚石表面的吸附原子并产生活性位点，还能刻蚀沉积过程中产生的石墨和无定形碳等非金刚石相，影响着金刚石沉积的速率及质量，在沉积过程中起着非常重要的作用[1-3]。但在富氢的反应气氛中，氢原子将不可避免地作为杂质掺入正在生长的金刚石晶胞内，Kimura等[4]使用弹性反冲检测法(elastic recoil detection analysis, ERDA)证实了这一点，其对传统反应气氛下沉积得到的金刚石薄膜进行了检测，发现薄膜内部存在氢杂质且主要集中在距表面1 nm深度内的亚表面层。同时相关研究[5-6]表明，氢杂质容易在金刚石结构中C-C键的键心(bond center，BC)、C-C键的键心、沿C-C键方向形成C-H-C-H的反键心(bond center and antibonding，BC and AB)以及C-C键中以等边三角形(equilateral triangle，ET)形式出现的六重简并位点处存在，如图1所示。

图1 氢杂质在金刚石中的存在位点(a)氢杂质位于BC位点处；(b)氢杂质位于BC和AB位点处；(c)氢杂质位于ET位点处Fig.1 Several sites of hydrogen impurities in diamond (a) hydrogen impurity at the BC site; (b) hydrogen impurities at the BC and AB site; (c) hydrogen impurities at the ET site

目前学术界对CVD金刚石薄膜亚表面层中氢杂质的研究主要集中在其对导电性能的影响，以基于金刚石来制备出具有优异电学和光学性能的材料[7-9]，但对其如何影响CVD金刚石薄膜的沉积过程缺乏较为系统的理论认知，而这个问题的解决有助于研究者更全面地理解CVD金刚石薄膜沉积过程，以及进一步从理论上优化沉积工艺参数，从而经济高效地制备具有优良品质的CVD金刚石薄膜。……