專利名稱：一種單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化碳的制備技術(shù)，具體涉及一種單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
氮化碳(C3N4)材料的研究已經(jīng)從理論發(fā)展到了實踐，科學(xué)家們已經(jīng)可以在實驗室 條件下制備出具有兩到三種結(jié)構(gòu)的氮化碳(C3N4)物質(zhì)，并且證明了它們具有超過金剛石的 硬度。但是，目前所使用的外延生長法、化學(xué)氣相沉積法等制備出的氮化碳薄膜多為非晶結(jié) 構(gòu)，而且沒有制備出具有最大硬度的單晶立方型結(jié)構(gòu)的氮化碳(C3N4)晶體，因此對于單晶 立方型氮化碳(C3N4)的研究仍在進行。原子層沉積(Atomic Layer Deposition,以下簡稱ALD)方法利用襯底對薄膜的逐 層生長方式，可制備出具有單晶立方型結(jié)構(gòu)的氮化碳(C3N4)晶體，通過對其工藝條件的改 進，能夠更高效的利用襯底和反應(yīng)氣體之間的相互作用制備出具有單晶立方型結(jié)構(gòu)的氮化 碳(C3N4)薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供一種單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，該方法操作 簡單，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，更加有利于碳、氮原子的沉積和氮化碳(C3N4)薄膜的生長，通過本 方法制得的氮化碳薄膜結(jié)構(gòu)完整。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種單晶立方型氮化碳薄膜的制 備方法，包括如下步驟將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入重氮甲烷，所述重氮甲烷在硅襯底表面進行 化學(xué)吸附；所述的重氮甲烷與通入的氣態(tài)碘單質(zhì)發(fā)生鹵代反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的碳碘鍵；所述鹵代反應(yīng)停止后，再通入氨氣繼續(xù)進行胺化反應(yīng)，所述碳碘鍵中的碘原子被 氨氣中的氮原子取代；所述胺化反應(yīng)結(jié)束后，硅襯底表面所形成的物質(zhì)即為單晶立方型氮化碳薄膜。
上述方案中，所述硅襯底預(yù)先進行氫化處理，使襯底表面形成硅氫鍵，所述氫化處 理的條件為在50°c -1000°c等離子體條件下，通入氫氣1分鐘-60分鐘。上述方案中，所述氫化處理的條件為在200°C _500°C等離子體條件下，通入氫氣 5分鐘-20分鐘。上述方案中，所述重氮甲烷的通入時間為2分鐘-60分鐘。上述方案中，所述重氮甲烷在硅襯底表面進行化學(xué)吸附的條件是光照，所述光照 的光源為波長是270nm-350nm的紫外光。上述方案中，所述氣態(tài)碘單質(zhì)的通入時間為2分鐘-60分鐘。
上述方案中，所述鹵代反應(yīng)是在光照條件下進行的，所述光照的光源為高壓汞燈， 波長為 350nm-450nmo上述方案中，所述氨氣的濃度為99. 5% -99. 99%，通入時間為30秒-60分鐘。上述方案中，所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔在通入重氮甲烷或氣態(tài)碘單質(zhì)的前后均 通入惰性氣體。上述方案中，所述惰性氣體為氬氣或氦氣，濃度為99. 99%，通入時間為5分鐘-20 分鐘。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下本發(fā)明利用原子層沉積技術(shù)制備單晶立方型氮化碳薄膜，該制備方法操作簡單， 轉(zhuǎn)化率高，能耗小，更加有利于碳、氮原子的沉積和氮化碳(C3N4)薄膜的生長，且制得的單 晶立方型氮化碳薄膜結(jié)構(gòu)完整。


圖1為本發(fā)明實施例提供的重氮甲烷與硅襯底進行化學(xué)吸附的過程示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的重氮甲烷與氣態(tài)碘單質(zhì)進行鹵代反應(yīng)的過程示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的氨氣與鹵代反應(yīng)副產(chǎn)物進行胺化反應(yīng)的過程示意圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的硅襯底表面亞碘甲基和氨基發(fā)生反應(yīng)的示意圖；圖5為本發(fā)明實施例提供的硅襯底表面亞碘甲基和氨基發(fā)生二次反應(yīng)后的俯視 圖；圖6為反應(yīng)前和反應(yīng)后硅襯底表面的化學(xué)式表示圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細描述。實施例1 一種單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，包括如下步驟步驟101，在200°C等離子體條件下，對硅(111)襯底表面用氫氣處理5分鐘，使硅 襯底表面形成Si-H鍵，如圖1中a圖所示；步驟102，將進行氫化處理后的硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中；向原 子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入濃度為99. 99%的氬氣5分鐘，對反應(yīng)腔進行清洗；再向反應(yīng)腔 中通入重氮甲烷5分鐘，同時用波長為的紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解產(chǎn)物具
有的未成鍵電子，重氮甲烷分解的化學(xué)表達式為
權(quán)利要求
1.一種單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入重氮甲烷，所述重氮甲烷在硅襯底表面進行化學(xué) 吸附；所述的重氮甲烷與通入的氣態(tài)碘單質(zhì)發(fā)生鹵代反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的碳碘鍵；所述鹵代反應(yīng)停止后，再通入氨氣繼續(xù)進行胺化反應(yīng)，所述碳碘鍵中的碘原子被氨氣 中的氮原子取代；所述胺化反應(yīng)結(jié)束后，硅襯底表面所形成的物質(zhì)即為單晶立方型氮化碳薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述硅襯底 預(yù)先進行氫化處理，使襯底表面形成硅氫鍵，所述氫化處理的條件為在50°C -1000°C等離 子體條件下，通入氫氣1分鐘-60分鐘。
3.如權(quán)利要求2所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述氫化處 理的條件為在200°C _500°C等離子體條件下，通入氫氣5分鐘-20分鐘。
4.如權(quán)利要求1所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述重氮甲 烷的通入時間為2分鐘-60分鐘。
5.如權(quán)利要求1所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述重氮甲 烷在硅襯底表面進行化學(xué)吸附的條件是光照，所述光照的光源為波長為270nm-350nm的紫 外光。
6.如權(quán)利要求1所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述氣態(tài)碘 單質(zhì)的通入時間為2分鐘-60分鐘。
7.如權(quán)利要求1所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述鹵代反 應(yīng)是在光照條件下進行的，所述光照的光源為高壓汞燈，波長為350nm-450nm。
8.如權(quán)利要求1所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述氨氣的 濃度為99. 5% -99. 99%，通入時間為30秒-60分鐘。
9.如權(quán)利要求1所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述原子層 沉積設(shè)備反應(yīng)腔在通入重氮甲烷或氣態(tài)碘單質(zhì)的前后均通入惰性氣體。
10.如權(quán)利要求9所述的單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于所述惰性氣 體為氮氣、氬氣或氦氣，濃度為99. 99%，通入時間為5分鐘-20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及氮化碳的制備技術(shù)，具體涉及一種單晶立方型氮化碳薄膜的制備方法，包括如下步驟將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入重氮甲烷，所述重氮甲烷在硅襯底表面進行化學(xué)吸附；所述的重氮甲烷與通入的氣態(tài)碘單質(zhì)發(fā)生鹵代反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的碳碘鍵；所述鹵代反應(yīng)停止后，再通入氨氣繼續(xù)進行胺化反應(yīng)，所述碳碘鍵中的碘原子被氨氣中的氮原子取代；所述胺化反應(yīng)結(jié)束后，硅襯底表面所形成的物質(zhì)即為單晶立方型氮化碳薄膜。本發(fā)明利用原子層沉積技術(shù)制備單晶立方型氮化碳薄膜，該制備方法操作簡單，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，更加有利于碳、氮原子的沉積和氮化碳薄膜的生長，且制得的氮化碳薄膜結(jié)構(gòu)完整。
文檔編號C23C16/36GK102115878SQ20101056102
公開日2011年7月6日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者劉鍵, 夏洋, 石莎莉, 饒志鵬 申請人:中國科學(xué)院嘉興微電子儀器與設(shè)備工程中心, 中國科學(xué)院微電子研究所