介绍非晶碳(a-C)的物理性质一直是激烈的实验和理论工作的主题[1-3]。非晶态碳是一种无长程有序碳的无序相，含碳原子多为类石墨原子2类金刚石sp和3.杂化态及其物理性质强烈地依赖于sp2/ sp3.比率。sp有很多种形式2不同石墨排列程度的-键合碳，从微晶石墨到玻璃碳。本文研究了电子枪蒸发法(EGE)生长的a-C薄膜。目前使用EGE技术生长a- c胶片的作品不多，我们相信在这个方向上拓宽知识是很重要的。在生长过程中变化的主要实验参数是源-基底距离(SSD)，并研究了振动模式、暗电导率和多数载流子浓度等物理性质的重要变化。结构分析表明，薄膜具有较强的石墨成分，拉曼模的行为遵循石墨到纳米晶石墨的路线当SSD增加时，根据Ferrari和Robertson[1]的描述。 实验EGE沉积a- c和a- c:N薄膜时，电子枪电压为6 kV，电流为200 mA。使用清洁的商业玻片和Si(100)单晶片作为衬底。真空室的基本压力为5 × 10－6那么，对于a-C:N薄膜的超纯N2-gas被引入到2 x 10－４Torr，这就是工作压力。由于坩埚发出的红外辐射，达到真空室的平均温度为150ºC。对于SSD，选择的值为10.5,12.5,15.5,18.5和23.5 cm。一个合理的假设是，SSD越长，A - c膜中N的浓度越大。沉积时间(TD)为0.5分钟。采用以He-Ne激光器为激发源的Labram-Dilor显微拉曼光谱仪，对样品的振动模式进行了拉曼光谱表征。厚度是利用Dektak II型轮廓仪确定的。暗电导率的测量采用传统的两点法，采用传统的设置。载流子类型(n型)和浓度是通过在自制系统中进行霍尔效应测量来确定的。x射线衍射(XRD)模式注册使用西门子D5000衍射仪。上述测量均在室温下进行。 结果和讨论薄膜厚度在15 ~ 48nm范围内，SSD值越大，薄膜厚度越小。XRD图谱表明该材料为非晶态。在图保证1、显示薄膜的拉曼光谱，a- c样品的SSD值分别为:(a) 12.5 cm， (b) 15.5 cm， (c) 18.5 cm， (d) 20.5 cm;对于a-C:N薄膜，仅显示SSD值(e) 15.5 cm和(f) 12.5 cm。 
图1．对a-C样品显示了薄膜的拉曼光谱。SSD值为:(a) 12.5 cm， (b) 15.5 cm， (c) 18.5 cm， (d) 20.5 cm;对于a-C:N薄膜，仅显示SSD值(e) 15.5 cm和(f) 12.5 cm。 所有的a-C薄膜的光谱由两个宽频带组成，其中一个波段D在~1380 cm处－１，另一种命名为G在1590厘米左右－１．a- c:N薄膜在~1345 cm处表现出非常衰减的D带－１在~1525 cm处有明确的红移G带－１．信号D(无序)和G(石墨)产生于sp2只债券。G模和D模都对应于键的拉伸模。G模是任意一对sp的伸缩振动2无论是在C = C链上还是在芳香环上。D模式起源于sp的呼吸模式2环中的位置，而不是链中的位置。谱带的加宽是由于非晶态特性，实际上是由于层的短程有序。用Breit-Wigner-Fano函数和洛伦兹曲线[1]拟合光谱，从这里可以得到g波段的位置和半最大值的全宽(FWHM)，以及强度比(ID/我G)测定。这些数据与SSD的图表如图所示保证2. 
图2。(a) G拉曼光谱位置D/我G(c) a- c和a- c:N薄膜G峰的半宽宽(FWHM)与SSD的关系。 对于a-C薄膜，G位置在1582区间增加- 1596厘米－１,我D/我G半宽值在1.36 ~ 1.63 cm区间增大，在89 ~ 102 cm区间减小－１当SSD增加。G位置和I的变化D/我G在这段时间内，非晶态的比例与0% sp的非晶态轨迹密切相关3.在法拉利和罗伯逊模型(FRM)[1]的第一阶段。由于坩埚的热辐射，真空室的平均温度为~150°C。 在我们的实验中，SSD越大，衬底温度越低(T年代)，这样，由于不同的T年代值平均直径(L一个)的短距离簇(晶粒)的数量随着SSD的增加而减少。已确定，在FRM的第一阶段，ID/我G∝l一个－１[1]，这意味着ID/我G如果SSD增加，则增加。 可以肯定的是，随着SSD的增加，a- c薄膜变得更无序，纳米晶粒更小，材料从石墨态过渡到石墨态，随着SSD的增加，环的含量增加。半高宽随环密度的增大而减小。 另一方面，在a-C:N片中，G位在1544 - 1550 cm的间隔内减小－１,我D/我G当SSD增大时，FWHM在0.31 ~ 0.42区间减小，在187 ~ 288区间增大。这三个参数的行为与ac薄膜的情况完全相反。N的引入有利于sp的产生3.因此，非晶态轨迹可以位于FRM的第二阶段，其中sp3.密度从0%到20%，G频率和ID/我G比例减少。在我们的薄膜中，随着SSD的增加，n含量增加，这反过来意味着sp的密度3.网站增加。FWHM的增加是因为材料变得最无序，因为第二阶段的主要无序效应可以看作是有序环[1]数目的减少。
暗电导率(σ)的薄膜与SSD显示在图中保证3.a-C薄膜的变化范围为(1.0±0.2)-(15.9±0.3)Ω－１厘米－１最大值为SSD = 18.5 cm。然而，对于a-C:N薄膜，薄膜的变化σ是否在(4.0±0.2)x10范围内－４-(1.0±0.2)x103.Ω－１厘米－１，一个高达七个数量级的变化。区别在于a-C薄膜的性质是严格的石墨化，在a-C:N薄膜中，N增加了sp的数量3.站点，因此sp2/ sp3.比率随SSD的增加而减小σ也因含有sp的物质而减小3.键在石墨碳簇之间起连接作用。 
图3。暗电导率的对数σ与SSD相比，a-C和a-C:N的样品。 在较高值的情况下σ，材料中可能存在N的掺杂效应。无花果保证4为电子浓度(n)是a-C和a-C:N薄膜导电带中的主要载流子。在前,n由(2.0±0.3)x10变化20.至(1.1±0.2)x1022厘米－３，但在a-C:N层的情况下，n从(6.5±0.3)x10变化17至(4.0±0.2)x1018厘米－３．考虑到这种关系σ＝在μ,e为电子电荷，μ为迁移率，可以推导出，在一般情况下，a-C薄膜的μ比a-C:N薄膜的μ低。 
图4。a-C和a-C:N样品的载流子密度与SSD。 结论研究了电子枪蒸发法制备的非晶碳膜和n掺杂非晶碳膜在源-衬底距离10.5 ~ 23.5 cm范围内的物理性能。a-C薄膜由石墨碳组成，被识别为位于FRM的第I阶段，sp含量为0%3.网站。a- c:N薄膜被识别为位于FRM的第二阶段，其中sp的0 - 20%3.网站可以找到。N在碳中的存在促进了这些位点的存在。其中，SSD尺寸为15.5 cm的a- c:N样品的电导率比其他样品高出约3个数量级。然而，对于使用23.5cm SSD的薄膜，电导率下降了近7个数量级。a-C薄膜的电导率几乎保持在1-10 Ω之间－１厘米－１所有SSD值． 确认作者感谢Ing。A. B. Soto, M. en C. B. Alvarado-Hidalgo和M. en C. M. Astorga-Cantú的技术援助。 参考文献1.acta physica sinica, 2010, 36(3): 369 - 372。Rev.， b61，(2000) 14095。 2.R. Haerle, E. Riedo, A. Pasquarello and A. Baldereschi， " sp2/ sp3.非晶态碳的杂化比来自c1s核能级的移动:x射线光电子能谱和第一性原理计算”，Phys。Rev.， B 65，(2001) 045101。 3.陈志刚，“非晶态碳氮化合物的红外光谱和拉曼光谱的解释”，物理学报。Rev.， B 67，(2003) 155306。 详细联系方式 |