周期磁场约束化学气相沉积金刚石的研究

In this proposal, a new method is firstly proposed that chemical vapor deposition (CVD) is coupled in a periodically magnetic field (PMF). At first, it is going to study its behavior of electron in CVD plasma under the PMF condition theoretically. The role of the restricted electron by the PMF in energy transformation and a consequent effect on kinetics of CVD diamond shall also be theoretically studied. Based on the theoretical understanding, a PMF-HFCVD system is, therefore, designed and manufactured for the CVD diamond. It will explore the effects of the frequency (ω), the linear speed (VM) and the strength (B) of the PMF on the nucleation, growth and doping of the CVD diamond. It is expected that the new PMF-CVD method would gain some achievements in low-temperature nucleation, oriented growth and effective doping of the CVD diamond.

首次采用周期磁场（Periodically Magnetic Field, PMF）与化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）耦合方法，以期降低CVD金刚石的沉积温度、控制其晶体生长模式和改善原位掺杂效果。首先，理论分析运动磁场PMF对CVD等离子体中带电粒子（特别是电子）运动的制约，以及这种运动受约电子与CVD气相中的分子和晶体的生长表面原子发生碰撞的规律。从而了解PMF对CVD动力学的影响。在此基础上，设计、制备周期磁场（PMF频率变化范围和磁场强度不同）约束化学气相沉积耦合系统（PMF-HFCVD systems）。利用该系统试验研究周期磁场变化频率、磁场强度和磁场移动线速度对CVD金刚石的形核、生长模式、生长速度、原位掺杂等的影响，找出其影响规律。本研究可能在CVD金刚石的低温生长、定向生长、原位掺杂等方面取得突破。

围绕“周期磁场约束化学气相沉积金刚石的研究”，自主研发了弱磁场高转速系统（PMF1）和强磁场低转速系统（PMF2），与热丝化学气相沉积系统进行耦合，从试验和理论模拟两方面进行了系统地研究。试验结果表明，周期性磁场的磁场强度（B0）、旋转角速度（ωmf）及运动线速度（vmf）之间存在联动关系。B0恒定时，高的ωmf和高的vmf有助于提高CVD金刚石的生长速率；ωmf和vmf恒定时，较低的B0对生长速率的提高更有效。耦合系统可以将CVD金刚石的沉积温度从700 °C降至520 °C，实现CVD金刚石的低温生长，且生长速率提高了~7倍。在周期性磁场的约束下，金刚石的形核晶粒的尺寸降低，形核率得到提高。从PMF 对温度梯度金刚石的生长速率分布图的影响发现，高温（700°C）时，磁场对金刚石的作用更显著；且在高温区内，低的旋转角频率有利于形成（110）择优取向，而高的旋转角频率则有利于形成（100）择优取向，从而影响了CVD金刚石多晶织构的生长。从场发射性能方面考虑，高温条件下，低的旋转角频率容易获得尖顶形貌的金刚石，而低温条件下，高的旋转角频率促进纳米金刚石晶粒的生长，都实现了降低薄膜开启电场的目标。对于CVD金刚石掺杂的研究表明，周期性磁场可以提高金刚石的掺硼量，增加薄膜的导电性，从而也降低了薄膜的开启电场，提高了薄膜的场发射性能。理论研究方面，分别模拟了周期性磁场的B0、ωmf及vmf对电子运动轨迹的影响，从分子动力学和化学反应动力学的相关原理出发，分析了受约电子与气体分子碰撞、能量传递及对成键的影响，解释了周期性磁场对CVD金刚石生长温度、形核率、生长速度多晶膜织构以及掺杂的作用效果。这些研究内容涵盖物理、化学等领域，属于深度交叉学科，丰富了学科内容，且引入周期性磁场（PMF）后，有希望放宽制备窗口，降低优质金刚石薄膜的合成难度与成本，进一步推广金刚石薄膜在各行各业的应用，具有重要的科学意义。