硒掺杂金刚石的第一性原理计算及多孔金刚石薄膜的制备

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为了探究硒(Se)掺杂金刚石的电学性质和其形成机理,以及制备多孔金刚石薄膜,我们从理论计算和实验制备两方面着手进行了研究。在理论计算方面,本文采用第一性原理计算的方法,计算和分析了硒掺杂金刚石的形成能和电学性质,以及硒原子在氢终止金刚石(001)表面的吸附和迁移行为。在实验方面,运用MPCVD法制备了金刚石薄膜和硅掺杂金刚石薄膜,运用湿化学法去除了硅掺杂金刚石薄膜的硅基底,并探究了通过腐蚀硅掺杂金刚石薄膜出孔制备多孔金刚石薄膜。运用SEM和AFM对所制备的薄膜进行了检测。研究结果如下:(1)缺陷形成能的计算结果表明,硒掺杂金刚石不易在实验中制备,1Se1V掺杂金刚石和硒、硼(B)共掺杂金刚石能够在实验中制备,且B原子的存在促进了Se原子掺入金刚石。Se原子或者1Se1B原子掺入之后,金刚石由绝缘体变为了n型半导体,且是直接带隙。电荷密度差分图和Bader电荷分析表明,在此掺杂过程中,Se原子失去电子,表现为施主。电离能计算表明,Se原子和1Se1B原子为深施主。(2)在全氢终止的金刚石(001)表面,Se原子不能够和表面的碳(C)原子或者氢(H)原子结合。当在金刚石(001)表面出现活性位时,Se原子能够和表面的C原子结合。在金刚石(001)表面,Se原子很容易在表面扩散。在具有两个活性位的金刚石(001)表面,和表面两个C原子键合的一个Se原子会和一个新引入的C原子结合,形成一个C-Se分子。这个C-Se分子趋向于从金刚石表面脱附。(3)在制备(111)晶相金刚石薄膜的基础上,我们进行了硅掺杂实验。硅(Si)原子掺入之后,薄膜首先呈现出菜花状。随着氢气通量的增加,硅掺杂薄膜逐渐呈现出明显的(110)晶相,且出现了碳化硅成分。通过湿化学法去除了硅掺杂金刚石薄膜的硅基底。由于碳化硅和金刚石是弥散分布的,所以,只能腐蚀掉表层的碳化硅,而不能出孔。要想通过腐蚀硅掺杂金刚石薄膜出孔制备多孔金刚石薄膜,需要制备金刚石和碳化硅相间分布,且碳化硅自下而上横穿整个薄膜的硅掺杂金刚石薄膜。
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