Исследование оптических свойств алмазных поликристаллических пленок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Павловский, Игорь Юрьевич

• Павловский, Игорь Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Павловский, Игорь Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Некоторые физические свойства алмазных материалов

1.2. Синтез алмаза методом газофазного химического осаждения

1.3. Комбинационное рассеяние света в алмазе

1.4. Теплофизические свойства алмазных материалов

1.5. Автоэмиссионные свойства алмаза

ГЛАВА II. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СИНТЕЗА И ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК

2.1. Установка для газофазного химического осаждения поликристаллических алмазных пленок

2.2. Процедура подготовки подложек и осаждения пленок

2.3. Спектрометр комбинационного рассеяния света для исследования характеристик синтезируемых пленок в процессе их роста

2.4. Фотоакустическая спектроскопия

2.4.1. Теоретические основы фотоакустического метода

2.4.2. Установка для проведения фотоакустических измерений

2.5. Система для измерения автоэмиссионных свойств пленок

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛМАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Спектрофотометрические исследования алмазных материалов

3.2. Фотоакустические измерения спектров оптического поглощения алмазных пленок и порошков

3.3. Спектроскопия КРС алмазных пленок in-situ

3.4. Катодолюминесценция алмазных пленок

ГЛАВА IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК

4.1 Теоретические предпосылки использования фотоакустического

эффекта для измерения теплопроводности

4.2. Экспериментальное исследование теплопроводности поликристаллических алмазных пленок

4.2.1. Определение теплопроводности алмазных пленок с помощью фотоакустического эффекта

4.2.2. Влияние структурных особенностей на теплопроводность поликристаллических алмазных пленок

4.3. О корреляции оптических и автоэмиссионных свойств алмазных пленок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптических свойств алмазных поликристаллических пленок»

Введение

Среди различных природных и синтетических материалов алмаз выделяется удивительной комбинацией физических свойств, при этом многие из них характеризуются параметрами, имеющими рекордные значения. Именно физические свойства алмаза служат основой огромного интереса к нему, распространяющемуся от использования в качестве ювелирного материала до различных технических применений. В то же время относительная простота атомной структуры делает алмаз удобным модельным объектом в различных научных исследованиях и, в частности, для экспериментальной проверки теоретических моделей физики твердого тела.

В последнее время значительно возрос интерес к исследованию и практическому использованию оптических, электронных и теплофизических свойств алмаза. В значительной степени этот интерес стимулируется разработкой методов получения алмазных пленок достаточно большой площади. Как правило, такие пленки имеют поликристаллическую структуру, обуславливающую характерные особенности их физических свойств, некоторые из них остаются до настоящего времени недостаточно изученными. Среди различных методов, используемых при изучении алмазных материалов особое место принадлежит оптическим исследованиям. В частности, спектры оптического поглощения тесно связаны с электронными свойствами алмаза, количеством и типом дефектов и примесей в его кристаллической решетке. Важным обстоятельством является то, что оптические спектры природных и синтетических монокристаллов алмаза достаточно хорошо изучены, на их основе даже строится одна из систем классификации алмазов.

Другим обстоятельством, принятым во внимание при формулировке целей данного исследования, была необходимость получения объектов исследований - алмазных поликристаллических пленок, в достаточном количестве и с необходимыми характеристиками. Наиболее последовательное решение этой задачи требует создания специализированного оборудования как для синтеза алмазных пленок, так и для их исследования.

Таким образом, основными целями работы были выявление особенностей оптических свойств, характерных для поликристаллических алмазных пленок, а также установление наличия корреляции этих свойств с другими физическими параметрами этих материалов. В соответствии с поставленной целью, задачами работы являлись:

- разработка и изготовление установки для химического газофазного осаждения алмазных пленок;

- разработка и изготовление спектрометра КРС, обеспечивающего возможность проведения диагностики пленок в процессе их синтеза;

- разработка методов синтеза алмазных и других углеродных пленок с различным фазовым составом, морфологией, оптическими и другими физическими свойствами;

- измерение и анализ оптических характеристик алмазных материалов в комплексе с исследованием ряда важных физических свойств алмаза (теплопроводность, полевая эмиссия и др.).

Научная новизна работы заключается

- в создании оборудования для синтеза широкого спектра углеродных материалов, обладающего рядом уникальных технических параметров, в том числе обеспечивающего возможность регистрации спектров КРС алмазных пленок в условиях их синтеза при интенсивной засветке от газоразрядной плазмы;

- установлении корреляции спектров оптического поглощения и люминесценции алмазных поликристаллических пленок с их структурно-морфологическими особенностями;

- разработке нового оптического метода определения одного из важнейших физического параметра тонких алмазных пленок - их теплопроводности, и установлении зависимости теплофизических свойств пленок от способа их синтеза;

- установлении корреляции оптических свойств и характеристиками полевой эмиссии электронов в алмазных пленках.

Положения, выносимые на защиту:

создана оригинальная установка для синтеза алмазных поликристаллических пленок в плазме тлеющего разряда постоянного тока;

- разработана технология получения алмазных поликристаллических пленок с заданными структурно-морфологическими характеристиками и фазовым составом;

- создан автоматизированный спектрометр КРС, разработана методика диагностики материалов в условиях их синтеза в газоразрядной плазме;

- установлены определенные корреляции между оптическими свойствами и структурно-морфологическими особенностями алмазных материалов;

- предложен новый метод прямого определения теплопроводности алмазных пленок с помощью фотоакустических измерений;

- установлено увеличение эффективности полевой эмиссии электронов с ростом плотности структурных дефектов, обусловленных графитовыми включениями и межкристаллитными границами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Павловский, Игорь Юрьевич, 1998 год

МТЕРАТУРА

. Spitsyn B.V. // Handbook of Crystal Growth. Vol.3. Ed. by D.T.J. Hurle. Amsterdam, Elsevier, 1994.

I. Ман Л.И., Малиновский Ю.А., Семилетов C.A. Кристаллические фазы

углерода. //Кристаллография, 35, 1029-1039 (1990). J. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены. // УФН, 163, №2, 33-60 (1993). L Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. Ed. by Dresselhaus M.S., etc.

Academic Press, 1996, p. 860. 5. Елецкий A.B. Углеродные нанотрубки.// УФН, 167, №9, 945-972 (1997). 5. Rousseaux F., Tchoubar D. // Carbon, 15, 63 (1977). 7. Robertson J. Amorphous Carbon. // Advances in Physics, 35, 317-374 (1986). 3. Reinkober O. // Ann. Phys., 34, 342 (1911).

Kaiser W., Bond W.L. // Phys. Rev., Д5, 857 (1959). 10. van Enckevort W.J.P. // In: Synthetic diamond: Emerging CVD science and technology. Ed. K.E.Spear and J.P.Dismukes, 1994, John Wiley & Sons, p. 322.

II. Davidson J.L. // ibid., p. 356.

12. Vavilov V.S., GusevaMJ., KonorovaE.A. et. al. // Sov. Phys. Semicond., 4, 6 (1970).

13. Landstrass M.I., Fleetwood D.M. // Appl. Phys. Lett., 56, 2316 (1990).

14. Vavilov V.S. //Phys. Stat. Sol. A, 31, 20 (1975).

15. Okumura K., Mort J., Machonkin M. // Appl. Phys. Lett., 57, 29 (1990).

16. Shinar R., Leksono M., Shanks H.R. // J. Vac. Sci. Tech. А, П, 569 (1993).

17. Cifre J., Puigdollers J., Polo M.C. et al. // Diamond and Rel. Mat., 3, 628 (1994).

18. Vavilov V.S., GusevaM.I., KonorovaE.A. etc. // Sov.Phys.Semicond., 4, 6 (1970).

19. Prins J.F. // Phys.Rev.B, 31, 2472 (1985).

20. Koizumi S., Kamo M., Sato Y. // Appl.Phys.Lett, 71, 1065 (1997).

21. Chen C.-F., Lo S.-F., Chen S.-H. // Diamond and Rel.Mat., 5, 766 (1996).

22. Зайцев A.M. // В кн. Алмаз в электронной технике, М., Энергоатомиздат, 1990, с. 211.

23. Zaitsev A.M. // In: Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films. Ed. by M.A.Prelas, G.Popovici, L.K.Bigelow, Marcell Dekker Inc., 1998, p. 227.

24. Спицин Б.В., Дерягин Б.В. Патент СССР № 339134, 1980.

25. Федосеев Д.В., Варнин В.П., Внуков С.П. и др. // Изв. АН СССР, сер. Химия, 1252 (1978).

26. Matsumoto S., Sato Y., Kamo M., etc. // Jpn.J.Appl.Phys., 21, L183 (1982).

27. Дерягин Б.В., Федосеев Д.В., Варнин В.П. и др. // ЖЭТФ, 69, 1250 (1975).

28. Kurihara К., Sasaki К., Kawarada М., Koshino N. // Appl. Phys. Lett., 52, 437 (1988).

29. Matsumoto S., Mates J. // Sci. Letters, 4, 600 (1985).

30. Matsumoto S., Sato J., Tsutsumi M. etc. // J.Mater.Sci., 17, 3106 (1982).

31. Moustakas T.D. Growth of Diamond by CVD methods and effects of process parameters. // In: Synthetic diamond: Emerging CVD science and technology. Ed. K.E.Spear and J.P.Dismukes, 1994, John Wiley & Sons, p. 161.

32. ibid., p. 163.

33. Горелик B.C., Умаров Б.С. Введение в спектроскопию КРС в кристаллах. 1982, с.136.

34. Ramaswamy С. // Nature, 125, 704 (1930).

35. Сущинский М.М. Комбинационное рассеяние света и строение вещества. М., 1981.

36. Vohra Y.K., Israel A., Catledge S.A. // Appl.Phys.Lett, Ц, 321 (1997).

37. Горелик B.C., Умаров Б.С. Введение в спектроскопию КРС в кристаллах. 1982, с. 106.

38. Mermoux М., Fayette A., Marcus В. et.al. // Diamond and Related Materials, # 4, 745 (1995).

39. The Properties of Diamond. Ed. by JJE.Field, London, Academic Press, 1990, p.61.

40. Collins A.T., Davies G., Kanda H., Woods G.S. // J.Phys. C, 21, 1363 (1988).

41. Hass K.C., Tamor M.A., Anthony T.R., Banholzer W.F. // Phys.Rev. B, 45, 7171 (1992).

42. Hanfland M., Syassen K. // J.Appl.Phys., 57, 2752 (1985).

43. Ager III J.V., Kirk Veirs D., Rosenblatt G.M. // Phys.Rev.B., 43, 6491 (1991).

44. Knight D.S., White W.B. // J.Mater.Res., 4, 385 (1989).

45. Tardieu A., Cansell F., Petitet J.P. // J.Appl.Phys., 68, 3243 (1990).

46. Johnston C., Crossley A., Chalker P.R. et.al. // Diamond and Related Materials, # 1,450(1992).

47. Herchen H., Cappelli M.A. // Phys.Rev.B, 43, 11740 (1991).

48. Bonnot A.M. // Phys.Rev.B., 41, 6040 (1990).

49. Ritcher H., Wang Z.P., Ley L. // Solid State Comm., 39, 625 (1981).

50. Lopez-Rios T., Sandre E., Leclercq S., Sauvain E. // Phys.Rev.Lett., 76,4935 (1996).

51. Brivio G.P., Mulazzi E. // Phys.Rev.B,30, 876 (1984).

52. NemanichRJ., Solin S.A. // Phys.Rev.B, 20, 392 (1979).

53. Lespade P., Al-Jishi R., Dresselhaus M.S. // Carbon, 20, 427 (1982).

54. Vandersande J.W. Thermal conductivity of natural-isotope diamond. // In: Properties and growth of diamond. Ed. G.Davies, 1993, p. 33.

55. Berman R. // Phys.Rev.B, 45, 5726 (1991).

56. Anthony T.R., Banholzer W.F. // Diamond and Related Materials, 1, 717 (1992).

57. Graebner J.E., Mucha J.A., Siebles L. Etc. // J.Appl.Phys. 71,3143 (1992).

58. Lu G., Swann W.T. // Appl.Phys.Lett., 59, 1556 (1992).

59. Worner E., Wild C., Muller-Sebert W. // Diamond and Related Materials, 5, 688 (1996).

60. Bertolotti M., Liakhou G.L., Ferrari A. // Appl.Phys.Lett., 75, 7795 (1994).

61. Amato G., Benedetto G., Boarino L. etc. // Journal de Physique IV, C7-237 (1994).

62. Robertson J. // Diamond and Rel. Mat. # 6, 797 (1996).

63. Himpsel F.J., Knapp J.A. etc. // Phys.Rev.B, 20, 624 (1979).

64. Eimori N., Mori Yu., Hatta A. etc. // Jpn.J.Appl.Phys. 33, 6312 (1994).

65. Diamond: Electronic properties and applications. Eds. Pan S.L., Kania D.R. Kluwer, 1995.

66. Zhu W., Kochanski G.P., Jin S., Seibles L. // J. Appl. Phys., 78,2707 (1995).

67. Fowler R.H., Nordheim L. // Proc.Roy.Soc., London, A119, 173 (1928).

68. Rosencwaig A. Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy. Wiley, N.Y., 1980, p. 93.

69. Pehrsson P.E., Celii F.G., Butler J.E. // In: Diamond Films and Coatings, Ed. by R.F .Davis, 1993, p.68.

70. Nesladek M., Vanecek M., Stals L.M. // Phys.Stat.Sol.(a) 154,283, 1996.

71. Properties and growth of diamond. Ed. G.Davies, 1993, 437 p.

72. Whitfield M.D., McKeag R.D., Pang L.Y.S. et al // Diamond and Related Materials, 5, 829 (1996).

73. Salvatori S., Vincenzoni R., Rossi M.C. // ibid, p. 775.

74. Rosencwaig A. Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy. N.Y. J.Wiley&Sons, 1980, p. 309.

75. Tilgner R.// Appl. Opt. 20^ p. 3780 (1981).

76. Ландсберг Г.С. Оптика. M., 1976, с. 926.

77. The Properties of Diamond. Ed. by J.E.Field, London, Academic Press, 1990, p.675.

78. Phillip H.R., Taft E.A. // Phys. Rev., 127,159, (1962).

79. Rosencwaig A. // Rev. Sei. Instr., 48, 1133 (1977).

80. Synthetic Diamond: Emerging CVD Science and Technology // Ed. by K.E. Spear, J.P. Dismukes N.Y. J.Wiley&Sons. Inc., 1994, p. 663.

81. Алмаз в электронной технике. Под ред. В.Б. Кваскова. М., 1990.

82. Spitsyn B.V. // Handbook of Crystal Growth. Vol.3. Ed. by D.T.J. Hurle. Amsterdam. Elsevier Science B.V.. 1994. p. 407.

83. Saparin G.V., Obyden S.K. // Scanning, 10, 87 (1988).

84. Collins A.T. // Diamond and Related Materials, 1, 457, (1992).

85. Fournier D., Plaman K. // Diamond and Related Materials, 4, 809 (1995).

86. Bachmann P.K., Wiechert D.U. // Diamond and Related Matertials, 1, 422 (1992).

87. Вавилов B.C., А.А.Гиппиус, А.М.Зайцев, Б.В.Дерягин, Б.В.Спицын // ФТП, 14,1078 (1980).

88. Graebner J.E., M.E.Reiss, L.Seibles, T.M.Harnett, R.P.Miller, C.J.Robinson // Phys.Rev.B, 50, 3702 (1994).

89. Kiyota H., H.Okushi, T.Ando, M.Kamo, Y.Sato // in Proc. of the 6th European Conf. on Diamond, Diamond-like and Related Materials, Barcelona, Spain, 1995, p.8094.

90. Zhang Z., Wensell M., Bernholc J. // Phys. Rev. V.51. 1995. P.5291.

91. Bandis C., PateB.B. //Phys. Rev. B. V.52. 1995. P.12056.

92. Derbyshire K. // Solid State Technology. V.37. No.l 1. 1994. P.55.

93. Zhu W., Kochanski G.P., Jin S., Seibles L., Jacobson D.C., McCormack M., White A.E. // Appl. Phys. Lett. 67, 1157 (1995).

94. Hong D., Aslam M. // J. Vac. Sei. Technol. В., Ц, 427 (1995).

95. Karabutov A.V., Konov V.l., Pimenov S.M., Frolov V.D., Obraztsova E.D., Polyakov V.l., Rossukanyi N.M. // J. de Physique IV, 6, C5-113 (1996).

96. Yoder M.N. // In: Diamond Films and Coatings, Ed. by R.F.Davis, 1993, p.2.

97. Bozeman S.P., Bauman P.K., Ward B.L., Powers M.J., Cuomo J.J., Nemanich R.J., Dreifiis D.L. // Diamond and Related Materials. 5, 802 (1996).

98. Stratton R. // Phys. Rev. 125, 67 (1962).

99. Obraztsov A.N., Guseva M.B., Petrukhin A.G., Petrov A.V. // J. Electrochem.

Soc. 143,1112(1996).

100. Yatsenko A.F., Kulishova G.G., Starovoitova L.N. 11 Izv. AN USSR, ser. Fiz., 52,1530(1988).

101. Latham R.V., Salim M.A. // J.Phys.E: Sci. Instrum., 20,181 (1987).

102. Obraztsov A.N., Timoshenko V.Yu. // J. Electrochem. Soc., 143,1061(1996).

Список основных публикаций no результатам, представленным

в настоящей работе

П1. A.N. Obraztsov, I.Yu.Pavlovsky, V.Yu.Timoshenko. Diamond Seeds Incorporation by Electrochemical Treatment of Silicon Substrate. // Diamond and Related Materials, 6, 1629 - 1632 (1997).

П2. A.N.Obraztsov, H.Okushi, H.Watanabe, I.Yu.Pavlovsky. Comparative Study of Optical Absorption in Diamond Powders and Polycrystalline CVD Films. // Diamond and Related Materials. 6, 1124-1128 (1997).

ПЗ. A.N.Obraztsov, I.Yu.Pavlovsky, T.Izumi, H.Okushi, H.Watanabe. Size Effect in Optical Spectra of Microcrystalline Diamond Powders and CVD Films. // Appl. Phys. A, vol. 65, 4/5, p. 505 - 509 (1997).

П4. А.Н.Образцов, И.Ю.Павловский, Х.Окуши, Х.Ватанабе. Влияние структурных особенностей на теплопроводность поликристаллических алмазных пленок. // ФТТ, № 7, 1221-1225 (1998).

П6. A.N.Obraztsov, G.V.Saparin, S.K.Obyden, I.Yu.Pavlovsky. Comparative Characterization of CVD Diamond Films by Scanning Cathodoluminescence Microscopy. // Scanning, 19, 455 - 458 (1997).

П7. А.Н.Образцов, Т.Изуми, Х.Окуши, Х.Ватанабе, И.Ю.Павловский. Влияние размеров кристаллитов на оптические спектры алмазных порошков и поликристаллических пленок. // Вестник МГУ, сер. Физика, Астрономия, 1997, №3, с. 45-49.

П8. А.Н. Образцов, А.П.Волков, И.Ю.Павловский. Механизм Холодной Эмиссии Электронов из Углеродных Материалов. // Письма в ЖЭТФ, т.68, вып. 1, с. 55-59 (1998).

П9. И.Ю.Павловский, А.Н.Образцов. Автоматизированная установка для газофазного осаждения алмазных пленок в разряде постоянного тока. // ПТЭ, N 1, с. 152-156 (1998).

П10. И.Ю.Павловский, А.Н.Образцов. Спектрометр Комбинационного Рассеяния Света для Диагностики in-situ Материалов в Газоразрядной Плазме. // ПТЭ, N 2, с. 144 - 148 (1998).

П11. A.N.Obraztsov, I.Yu.Pavlovsky. Raman Spectrometer for in-situ Study of Diamond Growth in DC Discharge Plasma CVD Reactor // Proc. SPIE, vol. 3484, 250 p. (1998).

П12. A.N.Obraztsov, I.Yu.Pavlovsky, A.P.Volkov, E.V.Rakova, S.P.Nagovitsyn. Electron Field Emission from Chemical Vapor Deposited Diamond Films. // J.Electrochem.Soc., vol. 145, p. 2572 - 2576 (1998).