【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）用磁控濺射方法制備非晶碳膜硅異質(zhì)結(jié)及其電輸運(yùn)性質(zhì)的研究-納米材料與功能材料

中圖分類(lèi)號(hào)： 單位代碼： 10425 學(xué) 號(hào)： 磁控濺射方法制備 非晶碳膜 /硅 異質(zhì)結(jié) 及其電輸運(yùn)性質(zhì)的研究 of 科專(zhuān)業(yè)： 材料物理與化學(xué) 研究方向： 納米材料與功能材 料 作者姓名： 指導(dǎo)教師： 薛慶忠 教授 二 八 年 四 月 of 關(guān)于學(xué)位論文的獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實(shí)事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標(biāo)注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中國(guó)石油 大學(xué) （華東） 或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或 學(xué)歷 證書(shū)而使用過(guò)的材料。 與我一同工作的同志對(duì)研究所做的任何貢 獻(xiàn)均已在論文中作出了明確的說(shuō)明。 若有不實(shí)之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文使用授權(quán) 書(shū) 本人完全同意 中國(guó)石油 大學(xué) （華東） 有權(quán)使用本學(xué)位論文 （ 包括但不限于 其印刷版和電子版） ，使用方式包括但不限于 ： 保留學(xué)位論文 ，按規(guī)定 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)（機(jī)構(gòu)）送交學(xué)位論文， 以學(xué)術(shù)交流為目的贈(zèng)送和交換 學(xué)位論文 ，允許 學(xué)位論文被查閱 、 借閱 和復(fù)印 ，將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，采用 影印、縮印或 其他 復(fù)制手段保存學(xué)位論文。 保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 i 摘 要 本文利用磁控濺射的方法在 00)基片上成功沉積了 非晶碳 膜 ( ，并對(duì)其電輸運(yùn)特性、氣壓敏感性和氣體敏感性進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。 論文第一部分研究了 i 異質(zhì)結(jié)的 電壓 性及其溫度依賴(lài)效應(yīng)。主要結(jié)果為： （ 1） 隨著外加電場(chǎng)、 樣品 溫度的變化 ,其 線(xiàn)將發(fā)生明顯的變化。當(dāng)施加較小的正向偏壓時(shí)，在 80240 K 的溫度區(qū)間，其導(dǎo)電機(jī)制主要表現(xiàn)為 電機(jī)制。然而 隨著正向偏壓的增加， i 異質(zhì)結(jié)的主要導(dǎo)電機(jī)制 將 由 變?yōu)?導(dǎo)電機(jī)制；而在高溫區(qū)域 （ 240300 K） ， 于施加反向偏壓，隨著外加偏壓的增加，該異質(zhì)結(jié)將會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象。 （ 2）在 80300 K 溫度區(qū)間內(nèi)， i 異質(zhì)結(jié)的結(jié)電阻隨 溫 度的 規(guī)律 變化， 呈現(xiàn)出 金屬 并且隨著外加偏壓的增加，金屬 （ 3） 提出 了相應(yīng) 的機(jī)理模型解釋上述有趣的現(xiàn)象。該研究對(duì)于理解 i 異質(zhì)結(jié)的電輸運(yùn)性質(zhì)的機(jī)理具有一定的理論指導(dǎo)意義。 論文第二部分研究了 i 異質(zhì)結(jié)的氣壓敏感特性。主要結(jié)果為： （ 1） 首次觀(guān)測(cè)到 i 異質(zhì)結(jié)具有氣壓敏感特性。外界氣體的壓強(qiáng)對(duì) i 異質(zhì)結(jié)的 質(zhì)具有較大的影響，尤其對(duì)于其反向的 質(zhì) 。 在某一恒定外加 偏 壓下，當(dāng)外界 氣體壓強(qiáng)由 100 加到 100000 結(jié)電阻將會(huì)增加到原來(lái)的 3300 %。研究結(jié)果 表明，該異質(zhì)結(jié) 在開(kāi)發(fā)、制備氣壓探測(cè)器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 （ 2） 不同沉積氣壓、沉積溫度下制備出的 i 異質(zhì)結(jié) 的 氣壓敏感特性具有較大的差別。通過(guò)對(duì)不同沉積氣壓、沉積溫度下制備出的 i 異質(zhì)結(jié)的氣壓敏感性進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)：室溫下、沉積氣壓為 4 制備 的 i 異質(zhì)結(jié)具有最佳的 氣 壓敏感特性。 （ 3） 提出 了相應(yīng) 的機(jī)理模型解釋觀(guān)測(cè)到的氣壓敏感特性。 論文第三部分研究了 i 異質(zhì)結(jié)的氣體敏感特性。主要 結(jié)果為： (1)首次觀(guān)測(cè)到 i 異質(zhì)結(jié)對(duì)于 體具有敏感特性。 體對(duì) i 異質(zhì)結(jié)的 質(zhì)具有較大的影響，尤其對(duì)于其反向的 質(zhì)，當(dāng)外加反向電壓恒定，將 i 異質(zhì)結(jié)由空氣中轉(zhuǎn)移到含有少量 體的空氣中，其結(jié)電阻將會(huì)迅速的增加到原來(lái)的 約 100 倍，將 i 異質(zhì)結(jié) 重 新轉(zhuǎn)移到空氣中，其結(jié)電阻將會(huì)迅速恢復(fù)到初始 值 。該研究表明 i 異質(zhì)結(jié)在 體探測(cè)器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 （ 2） 將銦電極、 膜和 為 構(gòu)， 并 建立 了相應(yīng)的 論模型 用于 解釋 i 異質(zhì)結(jié)的氣體敏感特性。 關(guān)鍵詞： 異質(zhì)結(jié)，電輸運(yùn)性質(zhì)，壓敏性，氣敏性 of by of in 0300 K. is in 40300 K. to in 0240 K. it to is of a be by A is to a on -V of a 300 % 00000 Pa 00 a on i Pa 00 K of be to iv of of i as An to H3 at by i i H3 a of 00 H3 of is H3 to H3 be to of of is by H3 i H3 v 目錄 第 1 章 引言 . 1 題的背景和意義 . 1 感器材料 . 1 壓傳感器材料 . 1 敏傳感器材料 . 2 晶碳薄膜的制備方法 . 3 材料的物理特性及非晶碳薄膜的理論模型 . 4 晶態(tài)半導(dǎo)體的相關(guān)知識(shí) 28 . 4 晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài) . 4 材料的能帶特點(diǎn) 29,30 . 6 晶碳膜的相關(guān)理論模型 . 6 論文的主要工作內(nèi)容 . 13 第 2 章 樣品制備及表征方法 . 14 品的制備 . 14 材的制備 . 14 晶碳薄膜的制備 . 14 體實(shí)驗(yàn)過(guò)程 ： . 15 品的結(jié)構(gòu)表征及物性測(cè)量 . 17 品的結(jié)構(gòu)表征測(cè)量方法 . 17 品的電學(xué)性能的測(cè)量方法 . 17 品的氣壓敏感性的測(cè)量方法 . 18 品的氣體敏感性的測(cè)量方法 . 18 第 3 章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 . 19 晶碳薄膜的電輸運(yùn)特性 . 19 品制備及實(shí)驗(yàn)方法 . 19 晶碳薄膜的表征與結(jié)構(gòu) . 19 同沉積溫度對(duì)非晶碳薄膜 /硅異質(zhì)結(jié)的 性的影響 . 21 同沉積時(shí)間對(duì)非晶碳薄膜 /硅異質(zhì)結(jié)的 性的影響 . 23 晶碳薄膜 /硅異質(zhì)結(jié)的整流特性與溫度依賴(lài)效應(yīng) . 23 晶碳薄膜 /硅異質(zhì)結(jié)的氣壓敏感性 . 26 品制備及實(shí)驗(yàn)方法 . 26 晶碳薄膜的表征與結(jié)構(gòu) . 27 氣體壓強(qiáng)對(duì) i 異質(zhì)結(jié)電輸運(yùn)性質(zhì)的影響 . 28 同沉積氣壓對(duì) i 異質(zhì)結(jié)氣壓敏感性的影響 . 32 同沉積溫度對(duì) i 異質(zhì)結(jié)氣壓敏感性的影響 . 34 晶碳薄膜的氣體敏感性 . 35 結(jié)論 . 41 參考文獻(xiàn) . 43 在學(xué)期間的研究成果 . 49 致謝 . 50 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 碩士論文 1 第 1 章 引言 題的背景和意義 碳材料作為一種古老而又神奇的 材料， 在 形成不同單質(zhì)和化合物方面所表現(xiàn)出的空間配位的多樣性，在所有的元素中是非常獨(dú)特的。 它 的兩種晶體形態(tài)同素異構(gòu)體 : 化四面體配位的金剛石和 化三角形配位的石墨，被人們認(rèn)識(shí)并利用了數(shù)個(gè)世紀(jì)。然而，類(lèi)金剛石薄膜只是在 30多年前，才被人們用離子沉積的方法在實(shí)驗(yàn)室中制備出來(lái)。 由于非晶碳膜在涂層、場(chǎng)發(fā)射、微電子器件等方面有著巨大的應(yīng)用前景1 近些年來(lái)，非晶碳膜的研究已經(jīng)引起 人們的關(guān)注。非晶碳膜的微結(jié)構(gòu)和其中碳原子之間的結(jié)合鍵 比例決定其物理性質(zhì)。通過(guò)不同的制備方法和 條件可以制備出性能各異的非晶碳膜 9,10。目前，利用高分辨電鏡、電子能量損失譜和拉曼光譜，人們研究了非晶碳膜的微結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。為了 研究非晶碳膜的微結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，以及改善碳膜的物理特性，人們對(duì)其進(jìn)行了多種元素的摻雜，并進(jìn)行了研究 11,12， 結(jié)果表明：摻雜對(duì)非晶碳膜的微結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)具有重要的影響。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，人們也得到了相同的結(jié)論：膜的制備條件 以及元素的摻雜 對(duì)其結(jié)構(gòu)影響很大 13,14。 過(guò)去，非晶碳膜的研究主要集中在其微結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和制備方法上，而對(duì)其電輸運(yùn)特性 、氣壓敏感性 以 及氣體敏感性 的研究較少。 深入研究非晶碳薄膜的電輸運(yùn)特性 、氣壓敏感性 以 及氣體敏感性 的產(chǎn)生機(jī)理對(duì) 人們 認(rèn)識(shí)非晶碳膜奇特的導(dǎo)電機(jī)制、開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的 氣壓、氣敏傳感器等 微電子器件有著很大的幫助，同時(shí)為人們提供了發(fā)現(xiàn)更多新型薄膜材料的機(jī)會(huì)。 總之，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料 提出的要求將推動(dòng)新材料的不斷發(fā)展。同時(shí)，新材料的不斷發(fā)現(xiàn)也不斷推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以信息、能源、材料為三大支柱。我們以尋找和發(fā)展新的薄膜材料為背景，在研究中將應(yīng)用研究和基礎(chǔ)研究結(jié)合起來(lái)，對(duì)薄膜材料的發(fā)展就有重要的意義。 感器材料 壓傳感器材料 氣壓傳感器的設(shè)計(jì)通常是先選擇一種氣壓敏感材料，然后圍繞該氣壓敏感材料設(shè)計(jì)壓強(qiáng)傳感電容器。所選的氣壓敏感材料通常是一些易發(fā)生形變的高分子材料或金屬薄膜材料。這些材料隨外部氣壓變化而發(fā)生形變，從而改變電容器兩極板間的距離，第一章 引言 2 進(jìn)而改變電容器的電容，起到氣壓傳感的作用 ，如圖 1 近年來(lái)，氣壓傳感器的發(fā)展主要體現(xiàn)在空壓盒傳感器、硅壓力傳感器和微機(jī)械電子系統(tǒng)傳感器三類(lèi)傳感器上。空壓盒類(lèi)傳感器的缺點(diǎn)是體積較大，很難實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化集成化。通常意義上的硅壓力傳感器的體積相對(duì)較小、精度高，但其昂 貴的價(jià)格、復(fù)雜的制備工藝限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。微機(jī)械電子系統(tǒng)傳感器的體積相對(duì)較小，且具有較高的穩(wěn)定性，價(jià)格相對(duì)較低。 圖 1分子聚合物氣壓傳感器示意圖 15 he of 5 本文是 用磁控濺射的方法將摻雜鐵的石墨濺射到拋光的 （ 100） 硅晶面上，制成的 非晶 碳薄膜 /硅異質(zhì)結(jié)新材料 。如圖 1在不同的氣壓下， 該 材料的電阻有著明顯的 變化 。通過(guò)該材料的特殊的電阻 氣 壓特性， 無(wú)需額外設(shè)計(jì)電容器，可直接反映出氣壓的變化 。 圖 1用 非晶碳薄膜 /硅異質(zhì)制備 氣壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 he of i 氣敏傳感器材料 電導(dǎo)型氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體分子與氣敏材料表面發(fā)生吸附或反應(yīng)而引起電荷的轉(zhuǎn)移（或電荷載體濃度的變化），進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化來(lái)檢測(cè)待測(cè)氣體分子中國(guó)石油大學(xué)（華東） 碩士論文 3 的存在。 氣敏傳感器已被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、化工 、食品加工等領(lǐng)域。在各種氣敏傳感器中，一些金屬氧化物傳感器以其制備工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛關(guān)注。然而，由于大多數(shù)金屬氧化物（如 ）需在 300 左右的溫度下工作才能獲得較高的靈敏度，因此用這些材料制備的氣敏傳感器需要一個(gè)額外的加熱裝置。這使得該類(lèi)金屬氧化物氣敏傳感器的功耗比較大，并限制了該類(lèi)氣敏傳感器的應(yīng)用的。在一些易燃易爆氣體的監(jiān)測(cè)方面，有加熱器存在，則存在安全隱患，而且給電導(dǎo)型氣敏傳感器的微型化、集成化造成困難。此外，還有導(dǎo)電高分子聚合物氣敏傳感器，可在室溫下工作，但其 壽命不長(zhǎng)，穩(wěn)定性也不夠理想。 近來(lái)，隨著碳納米管的發(fā)現(xiàn) 16，一些碳納米管、納米線(xiàn)、納米棒等具有大的比表面積、 空洞狀 中空結(jié)構(gòu)的新材料被應(yīng)用到氣敏傳感器的制備。然而，苛刻的微加工技術(shù)要求以及高昂的價(jià)格 在一定程度上 限制了該類(lèi)材料的應(yīng)用 與 發(fā)展。 本文是用磁控濺射的方法將摻雜鐵的石墨濺射到拋光的 （ 100） 硅晶面上，制成的非晶碳薄膜 /硅異質(zhì)結(jié)新材料。該材料對(duì)氨氣具有較高的 靈 敏 度 、較快的 響應(yīng) 以及較好的 可重復(fù) 性。 此外，本材料制備方法簡(jiǎn)單、成品率高。 晶碳薄膜的制備方法 制備類(lèi)金剛石薄膜可以采用濺射 17,18、弧光放電 19,20、離子束沉積 21,22、物理氣相沉積 (23、 化學(xué)氣相沉積 (24及脈沖激光沉積 ( 25多種方法。所有這些制備方法都需要一個(gè)碳源和一個(gè)能量源。碳源 可以 是包含在氣體中的離化碳基團(tuán)，或者是一塊被用來(lái)熱蒸發(fā)，離子濺射或激光轟擊的純碳靶。能量源可以是靜電加速場(chǎng)，燈絲的溫度場(chǎng)，脈沖激光的電磁 場(chǎng)，或者是用來(lái)碰撞的高能離子源。 近年來(lái)，磁控濺射技術(shù)在制備薄膜方面發(fā)展較快，相對(duì)傳統(tǒng)材料制備技術(shù) ,磁控濺射鍍薄膜技術(shù)能制備多種新型材料 ,滿(mǎn)足特殊使用條件和功能對(duì)新材料的需求，已成為一種較為先進(jìn)的鍍膜方法，被普遍和成功的應(yīng)用于微電子、光學(xué)薄膜和材料表面處理等領(lǐng)域中。 除了工作于射頻狀態(tài)外，其余磁控濺射均處于靜止的電磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)為曲線(xiàn)形，均勻電場(chǎng)和輻射場(chǎng)則分別用于平面靶和同軸圓柱靶，而 S 槍靶介于二者之間，其工作原理是相同的。 （其詳細(xì)工作原理及示意圖將在第二章討論） 第一章 引言 4 材料的物理特性及非晶碳薄膜的理論 模型 晶 態(tài)半導(dǎo)體 的 相關(guān)知 識(shí) 28 晶體的特征是其中原子的排列具有周期性，這種性質(zhì)稱(chēng)為長(zhǎng)程有序。自然界中還存在一類(lèi)固體，其中原子的排列不具有周期性，即不具有長(zhǎng)程有序，這類(lèi)物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為非晶臺(tái)固體，人們也常用無(wú)定型體來(lái)稱(chēng)呼之。 根據(jù)衍射等大量實(shí)驗(yàn)證明，非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)雖然不具有長(zhǎng)程有序，但其中原子的排列也不是完全雜亂無(wú)章的，而是在一個(gè)原子或幾個(gè)原子 間距范圍內(nèi)，其排列仍遵從一定的規(guī)律。 例如，非晶體中每一個(gè)原子周?chē)淖罱徳訑?shù)與同質(zhì)晶體中一樣，仍是確定的。且這些最近鄰原子的空間排列方式仍大體保留晶體 中的特征。 非晶態(tài)固體中的上述特征稱(chēng)為 短 程有序。 非晶態(tài)固體材料的另一特征是其亞穩(wěn)定性。制備非晶態(tài)半導(dǎo)體有兩類(lèi)方法。 從液態(tài)快速淬冷卻法 ，得到的往往是玻璃態(tài)。這種方法多用于制備硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體。 用真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電及 方法 ，得到的是薄膜狀半導(dǎo)體 。 這類(lèi)方法適合制備四度配位的非晶態(tài)半導(dǎo)體。不管用上述哪種方法制備的非晶態(tài)半導(dǎo)體都不處在平衡態(tài)，而是出于非平衡態(tài)。其自由能要比晶體（平衡態(tài)）的高。這種狀態(tài)是不是最穩(wěn)定的，稱(chēng)為亞穩(wěn)定態(tài)。由于熱激活或其它外來(lái)因素的影響，非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生某些局部的變 化，同時(shí)伴以自由能的降低 。這就是退火能使非晶態(tài)固體性質(zhì)發(fā)生某些變化的原因。 晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài) 在晶體中，由于晶格排列具有周期性，即平移對(duì)稱(chēng)性，可得到晶體中電子的波函數(shù)為 i 2 r( r ) e u ( r )k （ 1 其狀態(tài)可由簡(jiǎn)約波矢 k 標(biāo)志。由布洛赫波表示的電子態(tài)可擴(kuò)展到整個(gè)晶體范圍，故稱(chēng)為擴(kuò) 展 態(tài)。導(dǎo)帶和價(jià)帶中 的 電子態(tài)都是擴(kuò)展態(tài)。非晶體中原子的排列不具有 長(zhǎng) 程序，薛定諤方程中的 勢(shì)能函數(shù)不再是周期性分布的，因此非晶體中電子的波函數(shù)不再是布洛赫波，其 狀 態(tài)不再能由簡(jiǎn)約波矢 k 標(biāo)志。研究非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài)就需要首先研究在一個(gè)不具 有長(zhǎng)程序的無(wú)序系統(tǒng)中其電子態(tài)的特征。 安德森于 1958年提出了在無(wú)序系統(tǒng)中由于無(wú)序產(chǎn)生了電子定域態(tài)的概念。 它他考慮的無(wú)序系統(tǒng)是假定晶格格點(diǎn)的幾何排列仍是周期性的，而各個(gè)格點(diǎn)處的勢(shì)場(chǎng)是由一中國(guó)石油大學(xué)（華東） 碩士論文 5 個(gè)無(wú)規(guī)則勢(shì)場(chǎng)疊加到理想三維周期性勢(shì)場(chǎng)上構(gòu)成的。 在沒(méi)有疊加無(wú)規(guī)則場(chǎng)時(shí)，電子的波函數(shù)滿(mǎn)足薛定諤方程 222 （ 1 其中的勢(shì)函數(shù) ) u ( R )r r -（ 1-3） R )令 ()r代表在一個(gè)原子的勢(shì)場(chǎng)單獨(dú)作用下電子的波函數(shù)，則n( R )示在格點(diǎn) 束縛中將n( R )作零級(jí)近似波函數(shù)，求得晶體中電子的波函數(shù) ： k n r ) e x p ( i 2 k R ) ( R ) （ 1 對(duì)于簡(jiǎn)立方晶格且為球?qū)ΨQ(chēng)的 s 態(tài)，只計(jì)入最近鄰格點(diǎn)的交疊積分，求電子的能量 x y k ) E 2 V ( c o s k a c o s k a c o s k a （ 1中 a 為晶格常數(shù)， V 為最近鄰格點(diǎn)的交疊積分，即 *n n + 1V ( r R ) ( r R ) d r （ 1 n+1由式 1求得能帶寬度 B 2 （ 1 Z 為原子配位數(shù)。 在安德森勢(shì)場(chǎng)情況下，格點(diǎn)的排列未變，只是在各個(gè)格點(diǎn)上加了一個(gè)無(wú)規(guī)則 勢(shì)場(chǎng)。令 W 表示其寬度。若以 |n 表示原子軌道n( R )以 |n 表示位于子軌道m(xù)( R )安德森近似的假設(shè)其體系的哈密頓算符 nn n m | n n | V | n m | （ 1 第一章 引言 6 安德森提出了一個(gè)區(qū)分?jǐn)U展態(tài)和定域態(tài)的定義：假定一個(gè)電子在 t = 0 時(shí)處在 n 格點(diǎn)處的某個(gè)態(tài)中，由于 1中第二項(xiàng)微擾作用，電子的波函數(shù) 隨時(shí)間變化。 如 t 時(shí)，在原來(lái)狀態(tài)找到電子概率為零，表明電子已擴(kuò)散走了，就是擴(kuò)展態(tài)；如果t 時(shí)概率為有限值，就是定域態(tài)。 不難理解，相鄰格點(diǎn)間電子軌道的交疊積分 V 越大，越易實(shí)現(xiàn)共有化運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)擴(kuò)展態(tài)。 材料的能帶特點(diǎn) 29,30 碳材料中的能帶特點(diǎn)決定了其特有的輸運(yùn)特性。隨著碳形態(tài)的變化，其價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的帶隙 （ 也變化。其中，非晶碳和納米晶石墨材料屬于 寬能帶隙半導(dǎo)體 （ 1 ，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與顆粒膜相似；微米石墨材料屬于窄能隙半導(dǎo)體 （ 氣體首先進(jìn)入樣品室（為反濺清洗） (1) 關(guān)閉真空流量計(jì)電離和濺射室高真空計(jì)； (2) 打開(kāi)旁抽閥 (3) 開(kāi)流量計(jì)，預(yù)熱三分鐘（在清洗）； (4) 打開(kāi)氣瓶閥門(mén)，開(kāi)減壓閥（ 1 (5) 流量計(jì)扳到閥控檔，調(diào)流量（ 30 第 2 章 樣品制備及表征方法 16 (6) 調(diào)閘板閥 閉程度，使氣壓達(dá)到 2a 左右。 氣體經(jīng)混氣室進(jìn)入濺射室（為濺射鍍膜） (1) 檢查氣路連接，確定氣體進(jìn)出端口； (2) 關(guān)閉樣品室 電離 真空計(jì)和濺射室高真空計(jì)； (3) 打開(kāi)旁抽閥 后打開(kāi) (4) 打開(kāi)氣體流量計(jì)，首先扳到清洗檔位，預(yù)熱 3分鐘，然后扳到閥控檔位； (5) 打開(kāi)氣瓶閥門(mén)，開(kāi)氣瓶減壓閥（ 2格左右，不能超過(guò)三格）； (6) 通過(guò)氣體流量計(jì)控制氣體流量（ 30 通入真空室一定氣體，同時(shí)減小隔離閥 打開(kāi)程度，使真空度達(dá)到起輝所需氣壓（ 2a）。 4. 電源調(diào)節(jié) (1) 打開(kāi)射頻電源控制開(kāi)關(guān)； (2) 打開(kāi)燈絲開(kāi)關(guān)，預(yù)熱 5 分鐘； (3) 確定板壓歸零，打開(kāi)板壓控制開(kāi)關(guān)，并施加一 定電壓和電流，達(dá)到起輝效果； (4) 調(diào)節(jié)射頻電源匹配器，使反濺功率最?。ǚ礊R功率指針與入射功率指針交點(diǎn)小于 5. 樣品傳送 (1) 放下定位銷(xiāo)，確定樣品轉(zhuǎn)盤(pán)位置正確，并拔起定位銷(xiāo)； (2) 以裝有加熱爐的樣品托位置為 1 號(hào)位置，然后逆時(shí)針定義其它五個(gè)樣品號(hào)； (3) 用磁力傳桿把樣品從樣品室依次安置到樣品盤(pán)的相應(yīng)位置； 6. 電腦控制鍍膜 (1) 打開(kāi)步進(jìn)電機(jī)控制開(kāi)關(guān)； (2) 用機(jī)械手卡住齒狀擋板，暴露所需鍍膜的樣品基片； (3) 正確設(shè)置鍍膜所需參數(shù)； (4) 運(yùn)行程序，自動(dòng)控制鍍膜。 7. 高溫下制備非晶碳膜 完成 1驟后，將待加熱鍍膜基片傳送放置到樣品室中加熱爐相應(yīng)位置處進(jìn)行加熱，到升溫到所需溫度后再進(jìn)行鍍膜。 沉積結(jié)束后，薄膜在真空室中自然冷卻至室溫后取出。實(shí)驗(yàn)中所用基片大小約為 10.5 同樣品的制備過(guò)程略有不同。 8. 結(jié)束實(shí)驗(yàn) 各系統(tǒng)的關(guān)閉操作按開(kāi)啟系統(tǒng)時(shí)的逆向操作進(jìn)行 ， 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 碩士論文 17 (1) 關(guān)閉射頻控制電源系統(tǒng) ， (2) 關(guān)閉氣路系統(tǒng) ， (3) 關(guān)閉真空系統(tǒng) ， (4) 關(guān)閉所有相關(guān)配件。 品的結(jié)構(gòu)表征及物性測(cè)量 品的結(jié)構(gòu)表征 測(cè)量 方法 電子與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生 透 射電子、彈性散射電子、二次電子、背反射電子、吸收電子、 X 射線(xiàn)以及 俄歇電子等。電子顯微鏡就是利用這些信息對(duì)式樣進(jìn)行形貌觀(guān)察、成分分析和結(jié)構(gòu)測(cè)定的。我們所用的電子顯微鏡包括掃描電鏡（ 透射電鏡（ 本 論 文工作中，主要利用 樣品表面形貌觀(guān)察。 基本工作原理：由熱陰極電子槍發(fā)射出的電子在電場(chǎng)作用下加速，經(jīng)過(guò) 2、 3 個(gè)電磁透鏡的作用，在樣品表面聚焦成極細(xì)的電子束（最小直徑為 110 該電子束在未透鏡上方的雙偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈作用下，在樣品表面掃描。被加速的電子束與樣品室中的樣品相互作用，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種信號(hào)，其強(qiáng)度隨樣品表面特征而變。 本論文工作中，利用顯微共焦拉曼（ 譜儀研究碳薄膜樣品的結(jié)合鍵態(tài)和粒度情況。拉曼光譜 儀 工作原理： 當(dāng)激光入射到物質(zhì)上以后，物質(zhì)中的分子會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生散射，在散射光中，除與入射光相同的瑞利散射外，在瑞利散射線(xiàn)兩側(cè)還有一系列其它頻率的散射線(xiàn)，這種散射就叫拉曼散射。其中頻率比瑞利線(xiàn)低的叫斯托克斯（ ，而頻率比瑞利線(xiàn)高的叫反斯托克斯線(xiàn)，它們合稱(chēng)拉曼線(xiàn)。 這就是拉曼效應(yīng)。拉曼散射的實(shí)質(zhì)是光量子與分子碰撞時(shí)產(chǎn)生的非彈性碰撞過(guò)程。由于光量子與分子間交換的 能量只能是分子 兩定態(tài)間的差值，才產(chǎn)生了在瑞利線(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布的拉曼線(xiàn)。因此拉曼線(xiàn)與瑞利線(xiàn)之間的頻率差不隨入射光頻率改變，而與樣品分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)。拉曼線(xiàn)的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度和樣品分子濃度成正比。利用這種關(guān)系，采用拉曼光譜儀就可以對(duì)物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和濃度進(jìn)行研究。 本文中，薄膜的均勻性、顆粒固體的表面狀況由 測(cè)定， 薄膜中 比例由拉曼光譜測(cè)定， 薄膜的厚度由橢偏儀測(cè)定。 品的電學(xué)性能的測(cè)量方法 本實(shí)驗(yàn)中，采用 400 變溫霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)樣品的電流 考慮到樣品的完整性和表面處理的 簡(jiǎn)易、 可行性，本第 2 章 樣品制備及表征方法 18 實(shí)驗(yàn)主要采用兩探針?lè)ā?0 2 4 6 8 100246810探針?lè)椒y(cè)量樣品的電學(xué)性質(zhì)示意圖 he of 在測(cè)量前，先用物理方法除去 面的小部分 膜，然后迅速的用金屬銦將 線(xiàn)分別焊在 面及 膜表面 。實(shí)驗(yàn)中， 測(cè)量樣品的電阻隨溫度變化時(shí)，先將 樣品放入霍爾效應(yīng)恒溫筒，注入液氮，待其溫 度恒定后，用 400 量其 線(xiàn)，之后 溫度每變化 10 ，測(cè)量一次，直至 300 。 品的氣壓敏感性的測(cè)量方法 樣品的氣壓敏感性的測(cè)量主要在磁控濺射系統(tǒng)的進(jìn)樣室中進(jìn)行，用磁控濺射儀的抽真空系統(tǒng)改變樣品所在環(huán)境的氣體壓強(qiáng) (1a)并進(jìn)行 壓強(qiáng) 標(biāo)定， 用 400 量不同壓強(qiáng)下樣品的 線(xiàn) ，利用所得的數(shù)據(jù)，做出不同偏壓下的 ，進(jìn)行 分析、 比較。 品的氣體敏感性的測(cè)量方法 樣品氣體 敏感性的測(cè)量在本文中，主要是一些初步的、定性的測(cè)量。 利用 400 一些簡(jiǎn)易裝置， 在不同環(huán)境下（空氣、含有少量氨氣的 錐形瓶中 ）反復(fù) 測(cè)量 i 的 性。 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 碩士論文 19 第 3 章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 晶碳薄膜的電輸運(yùn)特性 品制備及實(shí)驗(yàn)方法 為了研究 i 異質(zhì)結(jié)樣品的電輸運(yùn)性質(zhì)，我們?cè)诔练e氣壓為 2 r)，濺射功率為 40 W 的 相同 參數(shù) 下，制備了以下兩個(gè)系列的樣品：相同沉積溫度 (300 K)，不同濺射時(shí)間 (5 0 20 和相同濺射時(shí)間 (20 不同沉積溫度 (300 K, 473 K, 673 K)的五個(gè)樣品。本實(shí)驗(yàn)中，采用 400 變溫霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)樣品的 性進(jìn)行了變溫測(cè)量。考慮到樣品的完整性和表面處理的 簡(jiǎn)易 可行性，本實(shí)驗(yàn)主要采用兩探針?lè)ā?晶碳薄膜的表征與結(jié)構(gòu) 圖 3同沉積溫度下制備的 表面的 像 (a)300 K, (b) 473 K, (c) 673 K. EM of i at 第 3 章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 20 圖 3示 為 一系列 在 相同濺射時(shí)間（ 20 不相同沉積溫度 下生長(zhǎng) 的碳薄膜的 像 。如圖所示，用磁控濺射方法在 00)上 生長(zhǎng)的 非晶 碳薄膜 其 表面較 為 粗糙，沉積溫度為 300 K 時(shí)，其表面顆粒的平均粒度約為 40 隨沉積溫度的增加，其表面粗糙 程 度明顯增加， 當(dāng)沉積溫度升高到 673 K 時(shí)，表面顆粒的平均粒度約為 60 1000 1200 1400 1600 1800 2000200400600800300 400 500 600 a. u.)t ( 0 03 K(a)I D/ K)(b )圖 3a) 不同沉積溫度下制備的 表面的 譜， (b) D 峰和 G 峰的強(qiáng)度的比值 （） a) of i at (b) of ) 圖 3示 為 一系列 在 相同濺射時(shí)間 （ 20 、 不相同沉積溫 度 下生長(zhǎng) 的碳薄膜 （ 的 。如圖所示，在 1550 有一個(gè)寬化的 G 峰，意味著用磁控濺射方法