季佩宇 黄天源 陈佳丽 诸葛兰剑 吴雪梅‡

1) (苏州大学物理科学与技术学院, 苏州纳米科技协同创新中心, 苏州 215006)

2) (苏州大学, 江苏省薄膜材料重点实验室, 苏州 215006)

3) (苏州大学分析测试中心, 苏州 215006)

4) (深圳大学物理与光电工程学院, 深圳 518060)

利用自行研制的强磁场螺旋波等离子体化学气相沉积装置(HWP-CVD), 通过改变等离子放电参数, 实现多种碳基薄膜制备.利用朗缪尔探针、发射光谱以及质谱对Ar/CH4 等离子体放电进行原位诊断; 用扫描电子显微镜和拉曼光谱对碳基薄膜进行表征.结果表明: 在给定参数下, 等离子体放电模式均为螺旋波放电模式; 在给定CH4 流量下, 等离子体中电子能量分布均足以使甲烷分子离解, 并形成含碳活性自由基.通过CH4 流量调整, 实现了不同碳基薄膜的制备.研究表明: 当等离子体中富含CH 和H 自由基时, 适合类金刚石薄膜生长; 当等离子体中富含C2 自由基和少H 时, 适合垂直石墨烯纳米片生长.根据等离子体诊断和薄膜表征结果, 提出了Ar 螺旋波等离子体作用下甲烷分子的裂解机理, 建立了碳基薄膜的生长模型; 验证了Ar/CH4–HWP 在碳基纳米薄膜制备中的可行性, 为HWP-CVD 技术制备碳基纳米薄膜提供借鉴.

1 引 言

碳的同素异构体种类很多, 是化学周期表中唯一具有从零维到三维同素异形体的元素, 其原子存在sp1, sp2和sp3杂化成键方式[1].碳纳米薄膜化学键的性质、尺寸和形状共同决定了其介观性能[2].零维(0-DCNs)的碳纳米结构有富勒烯、纳米金刚石、类洋葱碳等; 一维……