燃烧火焰法合成金刚石薄膜的机理探讨.pdf

燃烧火焰法合成金刚石薄膜的机理探讨 唐德文，匡同春，白晓军，李喜峰 （广东工业大学， 广东广州“） 摘要 从化学机理、 热力学机理、 动力学机理 个不同的角度系统地介绍了燃烧法合成金刚石薄膜的 机理。 关键词 燃烧合成； 金刚石薄膜； 机理 中图分类号4，’7-;4，A-B248 （0;48C748 64D2EFGH 7B 48J7;，0;48C748 “，K4） 63171FG74 97LN7;4C CL74C BIL F E297LL24C2C BE7L G2 CBB2E24G D23F 7B 92L9I E29G74 L294FL，G2EL7CH4L9F L294FL 4C O42G9F L294FLP 8“90*7-K7LM;FG74 97LN7;4C； 1L74C BIL； Q294FL 作者简介唐德文 （“,R S ） ， 男， 湖南人， 硕士研究生 燃烧合成是一门集热化学、 物理学、 燃烧学、 物 理化学、 固体化学、 结晶学和材料学等多种学科于一 体的交叉新型学科 ［“］ 。. 世纪 * 年代后许多国家 已对燃烧合成技术做了大量的研究， 如采用燃烧合 成技术制备出 T、 T.、 TK、 02.等粉末。自 “,R 年前苏联的 12EH84 等人 ［.］首次报道了在非金刚 石衬底表面沉积出金刚石的晶体后， “** 年日本的 UE7F2 ［］ 率先采用 K.U.S .燃烧火焰在大气中成 功合成出金刚石薄膜。 目前低压气相合成金刚石薄膜的方法较多， 主 要的方法有 热丝化学气相沉积法 （U7G VIL24G K2L9I WN7E 12N7FG74， 简称 UVKW1） 、 微波等 离子体化学气相沉积法 （Q9E73D2 XIFL K2L- 9I WN7E 12N7FG74， 简称 QYXKW1 ） 、 直流等离子 体射流化学气 相 沉 积 法 （1E29G K;EE24G XIFL K2L9I WN7E 12N7FG74，简 称 1K XIFL Z2G KW1） 、 燃烧火焰法 （K7LM;FG74 VIL2 12N7FG74， 简称 KV1） 。燃烧火焰法合成金刚石薄膜具有设备 简单、 操作方便、 沉积速率较高 （R [ “L\ ） ［］ 、 基底尺寸和沉膜面积基本上不受限制等优点， 目前 已成为合成金刚石薄膜技术中最受重视的 大方法 之一。 众所周知， K.U.在 .中燃烧， 它的火焰可以清 晰地分为 个区 近喷口处的焰芯区、 中间内焰区、 与大气接触外焰区。] QGF; ［ S ］等人对 K .U.S .燃烧合成金刚石的火焰结构分析发现， KU和 K.（表示悬挂键） 主要集中在内焰的边界， 而 U主要集中在外焰区。自 . 世纪 * 年代末以 来， 众多研究者陆续报道了 K.U.S .燃烧火焰法 合成金刚石薄膜的形核与长大机理及其随工艺参数 变化的规律， 结果表明， 影响金刚石薄膜形核与长大 的主要因素有 气体流速 （K\ U 比值） 、 反应室压强、 衬底表面温度、 衬底表面的性能 （物理性质、 化学性 质、 表面粗造度） 等， 这些因素均对金刚石的形核和 长大起着相当大的作用， 张贵锋等人 ［］认为衬底表 面温度对金刚石的形核影响极为复杂， 在小于 _时， 形核密度随衬底表面温度的升高而增大； K.U.\ .小于 ‘ 时， 随 K.U.浓度的增大， 金刚石 *有色金属 （冶炼部分） . 年 期 万方数据 形核密度增加； 衬底表面粗造度越小， 单位表面的缺 陷数量增加， 金刚石形核的驱动力增大， 有利于金刚 石的形核。 为了更好地采用燃烧火焰法生成高纯度、 结合 力好的金刚石薄膜， 对该法合成金刚石的机理探讨 还有待于进一步深入和完善 ［ “ ］ 。 燃烧火焰法合成金刚石薄膜的化学 反应机理 乙炔在氧气中燃烧， 它的火焰明显可以分为 层 外焰、 内焰与焰芯。每一层都有不同的化学反应 特征 外焰的氧化反应、 内焰的分解和 0 9A/B6C; ［］曾在 /8 系统中生长 金刚石薄膜的实验观察到 个基本的实验现象（） 用纯 流和纯 1 流在非金刚石的基底可以生长金 刚石而且金刚石的形核和生长的速率随 0 1 的比 值不同而不同；（） 在 1 原子的作用下， 无序碳向金 刚石碳的转化只发生在表层的原子 （ 原子） ， 因 此基于 ; 的反应机理， 其动力学的模型 ［2］ 为 2 个过程 无序碳在基底表面的沉积； 1 原子对无序碳 和金刚石的刻蚀反应； 在 1 原子的作用下向金刚石 的转化。 基于这 2 个过程， 动力学演化的生长速率的方 程式为 “ .*8* 2 A ［“B］的计算 求得 ’ 键 长 为 /“56、 ’ LKG9 KLGE6H KDQKGG*K［A］ S HOE*G TL， 041， “ （） 141 ［］E*GL HI T*;EKEH RE**ER，054 （B） B4 ［,］殷声S 燃烧合成 ［］ S 北京 冶金工业出版社， 000 ［B］GKDE，U UQ*，EN 6H ;LKG9K E ;*GL9** I96*K ［A］ S A.*K* AHD9 HI C..9E* T D;9*GEH IH6 GE6H ［A］ S AHD9 HI G*E9K M*K*; RKN. *.HKEGEH ［A］ S T IE96 *.HKEGEH G 9HP .*KKD* IH6 ; .*;DKHK ［A］ S C..9E* T IH6GEH PEG RHPGE6H IH6 K.DGG** ;QH GH6E; HR* ［A］ S AHD9 HI C..9E* T IE96K ［A］ S TLKEN ;9 M*OE*P ， 00 （,“） 0,B5 ［“B］祝文军， 潘正英， 霍裕昆S ““在金刚石 （） （“ ） 重构面 上吸附的分子动力学模型 ［A］ S 物理学报， 005， ,4 （） 0“5 B有色金属 （冶炼部分） “ 年 , 期 万方数据