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第一篇 金刚石膜的制备3

第1章 化学气相沉积金刚石膜概论3

1.1 引言3

1.2 化学气相沉积金刚石膜类型和沉积机理简介7

1.2.1 化学气相沉积金刚石膜的类型7

1.2.2 化学气相沉积金刚石膜的机理简介8

1.3 金刚石膜制备方法简介10

1.3.1 概述10

1.3.2 热丝CVD12

1.3.3 微波等离子体CVD13

1.3.4 直流电弧等离子体喷射CVD14

1.3.5 热阴极等离子体CVD16

1.3.6 燃烧火焰沉积17

1.3.7 激光诱导等离子体CVD19

1.3.8 其他制备方法简介22

1.4 微米晶金刚石膜24

1.4.1 概述24

1.4.2 沉积气氛25

1.4.3 衬底26

1.4.4 形核29

1.4.5 生长形貌及其控制32

1.4.6 生长速率与质量34

1.4.7 金刚石自支撑膜36

1.4.8 工具级金刚石自支撑膜37

1.4.9 光学级金刚石自支撑膜38

1.4.10 热沉级金刚石自支撑膜40

1.4.11 电子级（探测器级）金刚石自支撑膜40

1.4.12 金刚石薄膜41

1.4.13 金刚石薄膜与衬底的结合力42

1.4.14 金刚石膜工具涂层42

1.4.15 金刚石薄膜光学涂层43

1.4.16 电子学应用金刚石薄膜43

1.4.17 金刚石膜热学应用44

1.4.18 硼掺杂金刚石膜电极44

1.4.19 金刚石膜声表面波器件44

1.5 纳米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜45

1.6 CVD金刚石单晶46

1.7 CVD金刚石膜的晶粒尺寸：从零到无穷大48

1.8 碳家族49

参考文献51

第2章 热丝CVD62

2.1 引言62

2.2 HFCVD概述62

2.2.1 HFCVD基本原理62

2.2.2 HFCVD的特点及主要生长技术工艺参数63

2.3 HFCVD金刚石膜沉积过程中的化学反应66

2.3.1 原子氢的主要作用68

2.3.2 原子氢的湮灭和复合76

2.3.3 气相碳化学过程76

2.3.4 能量、质量和动量传输78

2.4 HFCVD系统的设计80

2.4.1 灯丝材料选择及灯丝的碳化动力学过程80

2.4.2 热丝系统设计要素82

2.5 电子辅助HFCVD87

2.5.1 直流负偏压88

2.5.2 直流正偏压88

2.6 HFCVD金刚石膜沉积技术89

2.6.1 HFCVD金刚石膜沉积技术的基本工艺参数及其优化89

2.6.2 金刚石膜涂层94

2.6.3 金刚石厚膜107

2.6.4 CVD金刚石掺杂和电化学电极111

2.6.5 纳米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜113

2.6.6 大面积金刚石膜沉积113

2.7 HFCVD金刚石膜沉积技术工业化114

2.7.1 工业化金刚石涂层技术和设备115

2.7.2 金刚石厚膜沉积设备117

2.7.3 HFCVD金刚石膜的市场应用118

2.8 结语130

参考文献130

第3章 微波等离子体CVD金刚石膜沉积技术136

3.1 引言136

3.2 微波激励下气体的放电现象137

3.3 MPCVD金刚石膜沉积装置140

3.3.1 石英管式MPCVD金刚石膜沉积装置140

3.3.2 石英钟罩式MPCVD金刚石膜沉积装置141

3.3.3 圆柱谐振腔式MPCVD金刚石膜沉积装置143

3.3.4 环形天线式MPCVD金刚石膜沉积装置144

3.3.5 椭球谐振腔式MPCVD金刚石膜沉积装置145

3.4 915MHz频率的MPCVD金刚石膜沉积装置147

3.5 几种其他类型的MPCVD金刚石膜沉积装置149

3.5.1 利用毫米波实现激励的MPCVD金刚石膜沉积装置149

3.5.2 电子回旋共振MPCVD金刚石膜沉积装置150

3.5.3 微波等离子体喷射MPCVD金刚石膜沉积装置152

3.5.4 线形MPCVD金刚石膜沉积装置153

3.5.5 iplas型MPCVD金刚石膜沉积装置154

3.6 我国MPCVD金刚石膜沉积装置技术的发展历史与现状156

3.7 MPCVD金刚石膜沉积装置的模拟159

3.7.1 MPCVD金刚石膜沉积装置中微波电场的分布模式160

3.7.2 等离子体对MPCVD金刚石膜沉积装置中微波电场分布的影响164

3.7.3 MPCVD金刚石膜沉积装置的模拟167

3.8 MPCVD金刚石膜沉积技术的应用与展望171

参考文献174

第4章 直流电弧等离子体喷射CVD180

4.1 引言180

4.2 直流电弧等离子体喷射CVD的原理181

4.2.1 直流电弧等离子体喷射CVD实验装置181

4.2.2 等离子体炬内部的放电过程183

4.2.3 气体流动和能量转换185

4.2.4 直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积概述189

4.2.5 直流电弧等离子体喷射系统设计中应考虑的技术问题193

4.3 历史回顾：直流电弧等离子体喷射大面积、高质量、高速率金刚石膜沉积199

4.3.1 直流电弧等离子体喷射气体流动和温度分布的均匀性199

4.3.2 直流电弧等离子体喷射大面积、高质量、高速率金刚石膜沉积研究回顾199

4.4 旋转电弧气体循环高功率直流电弧等离子体喷射203

4.4.1 高功率旋转电弧直流电弧等离子体喷射的原理203

4.4.2 气体循环原理204

4.4.3 高功率气体循环旋转电弧直流电弧等离子体喷射205

4.5 高功率旋转电弧气体循环直流电弧等离子体喷射金刚石自支撑膜沉积及其性能207

4.5.1 高功率旋转电弧气体循环直流电弧等离子体喷射金刚石膜沉积207

4.5.2 旋转电弧气体循环直流电弧等离子体喷射制备的金刚石膜材料性能209

4.6 工业应用214

4.6.1 应用研究214

4.6.2 直流电弧等离子体喷射金刚石膜沉积经济性分析220

4.6.3 工业化应用222

4.7 结语225

参考文献226

第5章 其他制备方法235

5.1 直流热阴极等离子体CVD法235

5.1.1 常规辉光气体放电特性235

5.1.2 直流热阴极辉光放电特性237

5.1.3 热阴极辉光放电阴极材料249

5.1.4 装置设计及金刚石膜制备255

5.1.5 金刚石膜的生长特性和性质261

5.2 燃烧火焰法265

5.3 电子回旋共振微波CVD法266

5.4 射频放电CVD法267

5.5 激光CVD法269

参考文献269

第6章 金刚石膜外延生长271

6.1 同质外延生长271

6.1.1 高速外延生长金刚石单晶271

6.1.2 器件级金刚石外延膜283

6.1.3 外延金刚石中的缺陷286

6.2 异质外延生长291

6.2.1 立方氮化硼291

6.2.2 镍292

6.2.3 铜292

6.2.4 铂293

6.2.5 铱293

6.2.6 硅298

参考文献300

第7章 金刚石膜控制掺杂306

7.1 引言306

7.2 CVD金刚石膜的离子注入掺杂技术307

7.3 CVD金刚石膜的生长过程掺杂技术310

7.3.1 金刚石膜的硼掺杂310

7.3.2 金刚石膜的氮掺杂319

7.3.3 金刚石膜的磷掺杂331

7.3.4 硼掺杂金刚石的氘化处理339

7.3.5 金刚石膜的硫掺杂341

7.3.6 金刚石膜的其他元素掺杂342

7.4 金刚石膜的共掺杂343

7.5 结语346

参考文献346

第二篇 金刚石膜组织结构和性能表征355

第8章 金刚石膜组织结构表征方法355

8.1 金刚石膜表面形貌表征方法355

8.1.1 金刚石膜表面粗糙度和膜厚测试方法355

8.1.2 金刚石膜表面形貌分析方法360

8.2 金刚石膜组织结构表征方法369

8.2.1 拉曼光谱370

8.2.2 衍射分析方法376

8.2.3 光谱分析方法386

8.2.4 透射电镜398

8.3 其他表征方法408

8.3.1 二次离子质谱408

8.3.2 电子顺磁共振410

8.3.3 核反应分析法412

8.4 金刚石膜膜基界面结合强度测试414

8.4.1 拉离测试法415

8.4.2 压痕测量法416

8.4.3 刻痕测试法416

8.4.4 刮剥式测量法417

参考文献418

第9章 金刚石薄膜表面性能422

9.1 氢、氧终端金刚石薄膜的结构及性能422

9.1.1 两种终端金刚石薄膜的电学性能422

9.1.2 两种终端金刚石薄膜表面的电子结构425

9.1.3 两种终端金刚石薄膜导电机理427

9.1.4 氢、氧终端金刚石薄膜的电化学性能428

9.2 金刚石薄膜的可修饰性429

9.2.1 金刚石表面实施化学修饰的基本策略430

9.2.2 导入卤素431

9.2.3 导入氨基、氰基432

9.2.4 导入氧基（羧基、羰基）433

9.2.5 有机（生物）分子的修饰434

9.2.6 金刚石表面的金属粒子及金属氧化物修饰440

9.3 金刚石薄膜修饰后的应用442

9.3.1 电分解（电氧化法废水处理）443

9.3.2 电合成444

9.3.3 电容器445

9.3.4 电分析446

9.3.5 电流型生物传感器448

9.4 结语449

参考文献450

第10章 金刚石薄膜的电学性能460

10.1 引言460

10.2 金刚石薄膜的导电类型460

10.2.1 本征导电460

10.2.2 非本征导电462

10.3 金刚石薄膜的导电机制463

10.3.1 空间电荷限制传导464

10.3.2 肖特基势垒注入465

10.3.3 弗仑克尔-普尔传导466

10.3.4 希尔传导466

10.3.5 本征金刚石薄膜的传导机制467

10.3.6 掺杂金刚石薄膜的传导机制469

10.4 电阻（电导）率470

10.4.1 本征金刚石薄膜470

10.4.2 掺杂金刚石薄膜471

10.4.3 金刚石薄膜的表面电导率472

10.5 散射机制475

10.5.1 声子散射476

10.5.2 谷间散射477

10.5.3 电离杂质散射477

10.5.4 中性杂质散射478

10.5.5 位错中的散射479

10.5.6 表面和晶界479

10.6 迁移率及漂移速度的测量479

10.6.1 漂移运动与迁移率479

10.6.2 金刚石薄膜中载流子迁移问题研究现状483

10.6.3 漂移速度与电场强度的关系487

10.6.4 载流子的俘获489

10.6.5 电荷收集效率与电荷收集距离的关系490

10.6.6 电荷收集效率与电场强度的关系492

10.7 霍尔效应493

10.7.1 霍尔效应测试原理493

10.7.2 光霍尔测试495

10.7.3 磷掺杂金刚石薄膜的霍尔测试495

10.7.4 硼掺杂金刚石薄膜的霍尔测试496

10.8 金刚石薄膜的超导电性498

10.8.1 硼掺杂金刚石超导膜的制备与表征500

10.8.2 实验参数对硼掺杂金刚石薄膜生长特性的影响506

10.8.3 硼掺杂金刚石薄膜的超导特性514

10.9 晶界及对其电学特性的影响520

10.9.1 金刚石薄膜内晶界区域的场发射特性522

10.9.2 晶界对金刚石薄膜表面电导的影响525

10.9.3 晶界影响金刚石表面电学特性的机理528

10.10 结语531

参考文献531

第11章 金刚石热学性质及应用542

11.1 金刚石的热学性质542

11.1.1 比热542

11.1.2 热导率543

11.1.3 热稳定性546

11.2 金刚石热导率测试方法548

11.2.1 闪光法548

11.2.2 微桥法549

11.2.3 3ω法550

11.2.4 光热偏转法550

11.3 金刚石热学应用551

11.3.1 金刚石膜的热沉应用552

11.3.2 铜基金刚石复合材料的应用556

11.3.3 金刚石窗口材料的应用557

11.3.4 金刚石在导热胶领域的应用559

11.4 金刚石膜热学应用现状与展望560

参考文献561

第12章 金刚石膜力学性能565

12.1 引言565

12.2 硬度568

12.3 断裂强度569

12.3.1 金刚石膜断裂强度测试方法569

12.3.2 金刚石膜的断裂强度571

12.3.3 影响金刚石膜断裂强度的因素576

12.4 断裂韧性587

12.4.1 金刚石膜断裂韧性测试方法587

12.4.2 金刚石膜的断裂韧性601

12.5 动态力学性能604

12.5.1 概述604

12.5.2 金刚石膜的砂蚀性能605

12.5.3 金刚石膜的雨蚀性能608

12.5.4 金刚石膜在循环荷载作用下的力学行为609

12.5.5 高温氧化对金刚石膜强度的影响610

12.6 内应力611

12.6.1 金刚石膜内应力测试方法611

12.6.2 金刚石膜的内应力613

12.6.3 金刚石膜内应力的影响因素614

12.6.4 降低金刚石膜内应力的技术途径623

12.7 摩擦磨损性能623

参考文献625

第13章 金刚石膜光学性能630

13.1 引言630

13.2 折射633

13.2.1 天然金刚石633

13.2.2 金刚石膜635

13.3 反射635

13.4 吸收637

13.4.1 缺陷（杂质）引起的吸收带640

13.4.2 本征吸收647

13.5 拉曼散射647

13.5.1 单声子拉曼散射647

13.5.2 双声子拉曼散射650

13.5.3 其他652

13.6 光致发光654

13.7 阴极发光655

13.8 热辐射656

13.9 光损伤659

参考文献660

第三篇 金刚石膜沉积理论665

第14章 金刚石膜化学气相沉积理论665

14.1 引言665

14.2 金刚石化学气相沉积环境667

14.2.1 原子氢668

14.2.2 碳氢化合物基团675

14.2.3 氧的影响682

14.2.4 活性基团的气相输运684

14.3 金刚石生长表面化学过程686

14.3.1 基材表面化学反应过程686

14.3.2 金刚石膜实验生长动力学691

14.3.3 生长机制695

14.4 金刚石膜质量与生长缺陷703

14.4.1 晶体缺陷703

14.4.2 杂质706

参考文献706

第15章 等离子体模拟与诊断710

15.1 引言710

15.2 金刚石膜沉积典型等离子体环境710

15.2.1 等离子体特征711

15.2.2 电子-中性粒子碰撞714

15.2.3 离子-中性粒子碰撞714

15.3 等离子体与衬底表面交互作用715

15.3.1 电子与衬底表面的交互作用715

15.3.2 离子与衬底表面的交互作用716

15.3.3 中性粒子与衬底表面的相互作用717

15.4 Boltzmann方程718

15.4.1 等离子体的控制方程719

15.4.2 输运系数721

15.4.3 求解方法722

15.4.4 CH4-H2等离子体模拟实例724

15.5 金刚石沉积装置等离子体流场模拟729

15.6 等离子体空间分辨谱研究735

15.6.1 概述735

15.6.2 诊断技术735

参考文献748

附录 缩略语754

索引759