金属掺杂类金刚石薄膜微结构调控与电子输运机制研究

Carbon-based materials is going to replace silicon in the modern information technology. Due to its outstanding mechanical and electrical properties, Metal-doped diamond like carbon (Me-DLC) have shown great potential in electronic applications such as magnetic storage, advanced temperature sensors, piezoresistive thin films and electron field emission display applications. Unfortunately, the interactions between different metal and C elements are various, and metal atoms can be dissolved in the amorphous carbon matrix or form nanocrystals at different metal concentrations, the bonding structure of the amorphous carbon matrix can also be changed with the incorporation of metal atoms, it is a quite complex task to interpret the electrical behaviors and to reveal the inherent carrier transport mechanism of the Me-DLC. In this project, we select three typical metal elements, strong carbide candidate W with nonbonding character between a W and C atom, non carbide candidates Cu and Ag with antibonding character, and focus on the preparation, microstructure and electrical properties of Me-DLC films by a hybrid home-made deposition system, which is composed of a anode layer type linear ion source and a DC magnetron sputtering source. Based on the experimental results, we aim to clarify the carrier transport mechanism of Me-DLC films, and to provide the theroretical and experimental basis for its further electronic application.

随着纳米碳材料从基础研究逐步走向应用，碳材料正加速取代硅材料成为现代信息技术的支撑材料。由于兼具优异机械及电学特性，金属掺杂类金刚石（Me-DLC）碳膜在磁存储、传感器、场致发射等电子信息领域表现出巨大应用潜力。因金属种类、含量差异，导致Me-DLC微结构与电子输运特性的复杂性与多样性，电子输运机制不明确。本项目根据金属元素与碳作用强度差异和前期理论计算结果，优先筛选具有非键特征的强碳化物形成相W、反键特征的弱碳化物形成相Cu、与Cu同族的Ag为典型掺杂元素，采用自主研制的阳极层离子束复合磁控溅射技术，通过改变沉积参数实现薄膜制备和微结构调控，系统研究微结构和电学特性的演变规律，建立电子输运结构模型并阐明电子输运机制，为新型电学功能碳膜材料的设计、制备、表征提供理论依据。

本项目聚焦金属掺杂类金刚石薄膜（Me-DLC）在电学功能特性方面的应用需求，针对Me-DLC微结构以及电学行为之间的作用规律不明的关键问题，基于金属与碳的作用强度差异，系统筛选典型金属元素，可控制备不同掺杂含量的Me-DLC体系，结合Me-DLC微结构特征和电学特性，深入理解本征碳膜以及Me-DLC的电子输运机理。取得主要成果归纳如下：1）证实了在无氢非晶碳中的电子传导和VRH输运机制，其电阻率主要受相邻sp2团簇间电子跃迁的控制，在-50 V下薄膜电阻率最小为0.1 Ω∙cm，由于薄膜具有最大sp2团簇约1.93 nm，电子最短平均跳跃距离最小；2）对于钨掺杂DLC体系，可视为由碳化钨纳米团簇以及不导电碳基质组成的渗流体系，随钨含量增大，导电纳米团簇会形成导电通路，导致薄膜电阻率大幅下降。薄膜TCR值随W含量增加下降，主要是在负TCR非晶碳基质中引入了正TCR金属W降低非晶碳基质的TCR值；3）明确了Cu掺杂DLC体系中，当Cu含量39.7 at.%时，薄膜具有granular material结构，在2～275 K温度区间，其LnR与T-1/2具有线性关系，电子输运机制主要是电子在Cu纳米晶或者sp2团簇之间的隧穿导电，在275～380 K范围，其LnR与1000/T之间具有近似线性关系，主要是热激活导电；4）证实Ag含量41.4 at%的薄膜，在2～400 K温度范围内，均表现为半导体特性，在164～400 K范围内，为热激活导电机制。项目执行期间，发表学术论文7篇（SCI 6篇），发明专利4件，在国内外会议上做学术报告7次，培养青年骨干和研究生4名。项目结果为设计、制备新型非晶碳基电子材料，扩展其电学功能应用提供了重要的实验基础和理论基础。