一種具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜及其可控制備方法
【專利說明】
(一)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種具有S1-V發(fā)光(在光致發(fā)光譜中的發(fā)光峰位于738nm)的納米金剛石薄膜及其可控制備方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石中存在500多個(gè)發(fā)光中心，其中最典型的發(fā)光中心有三種:氮-空位(N-V)、NE8和硅-空位(S1-V)中心，他們已被證實(shí)可以作為明亮穩(wěn)定的室溫單光子源，在單光子源、量子信息處理、光電子器件、生物標(biāo)記、半導(dǎo)體器件和場致發(fā)射顯示器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
[0003]金剛石中的S1-V發(fā)光中心在光致發(fā)光譜(PL譜)中的發(fā)光峰位于738nm，線寬較窄(?5nm)，發(fā)光壽命很短(1.2ns)，使得S1-V成為極具潛力的單光子源。在納米金剛石晶粒中構(gòu)建光學(xué)活性的缺陷，可以獲得具有更強(qiáng)更窄發(fā)光的單一光學(xué)活性的薄膜，實(shí)現(xiàn)在生物標(biāo)記等領(lǐng)域的應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)制備的納米金剛石薄膜中的S1-V發(fā)光中心通常是在薄膜生長過程中，由襯底或石英管中的硅以非有意摻雜的形式進(jìn)入薄膜而形成的，使得制備的薄膜有的具有S1-V發(fā)光，而有的薄膜并不具有S1-V發(fā)光性能，即薄膜的S1-V發(fā)光性能難以控制。因此，本發(fā)明探索具有S1-V發(fā)光的納米金剛石薄膜的可控制備方法，對于實(shí)現(xiàn)納米金剛石薄膜在單光子源、量子信息處理、光電子器件和場致發(fā)射顯示器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種具有S1-V發(fā)光(S1-V發(fā)光是指在光致發(fā)光譜(PL譜)中特征峰位于738nm處，線寬較窄(?5nm)，發(fā)光壽命很短(1.2ns)，使得S1-V成為極具潛力的單光子源)的納米金剛石薄膜的可控制備方法。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]—種具有S1-V發(fā)光的納米金剛石薄膜的可控制備方法，所述方法包括以下步驟:(I)在多晶金剛石襯底上，采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法制備納米金剛石薄膜；(2)將步驟
(I)得到的納米金剛石薄膜進(jìn)行硅離子注入處理，注入劑量為1013-1015cm2，得到硅離子注入的薄膜；(3)將步驟(2)得到的硅離子注入的薄膜在800-900°C溫度下，3000?5000Pa壓力下，退火30-60分鐘，得到退火后的薄膜；(4)退火后的薄膜在500-600°C溫度下的空氣中保溫30-60分鐘，即制得所述具有S1-V發(fā)光的納米金剛石薄膜。所述薄膜在光致發(fā)光譜的738nm處具有S1-V發(fā)光性能。
[0007]本發(fā)明采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，在多晶金剛石襯底上制備納米金剛石薄膜，并對薄膜進(jìn)行硅離子注入和空氣中熱氧化處理，制備得到具有S1-V發(fā)光的納米金剛石薄膜。該方案提供了一種在納米金剛石薄膜中引入S1-V缺陷中心，并實(shí)現(xiàn)納米金剛石薄膜的S1-V發(fā)光性能的可控制備方法。
[0008]所述步驟⑴中，納米金剛石薄膜采用熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)法在多晶金剛石襯底上制備，可采用常規(guī)熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備進(jìn)行，要求制備獲得的納米金剛石薄膜厚度為4?6 μ m。
[0009]進(jìn)一步，所述步驟(I)可采用以下步驟進(jìn)行:對多晶金剛石襯底采用金剛石研磨膏打磨15?60分鐘，打磨后的襯底放入金剛石微粉-丙酮懸濁液中超聲振蕩2?3小時(shí)，再依次用去離子水和丙酮超聲清洗、干燥后得到處理后的襯底，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，反應(yīng)溫度600?700°C、反應(yīng)時(shí)間3?4小時(shí)，在多晶金剛石襯底上制備得到厚度4?6 μπι的納米金剛石薄膜。
[0010]所述金剛石研磨膏一般為納米級金剛石粉。
[0011]所述步驟⑵中，硅離子的注入劑量優(yōu)選為114cm 2。注入能量優(yōu)選80keV。
[0012]所述步驟(3)中，退火溫度優(yōu)選900°C，退火時(shí)間優(yōu)選30分鐘。
[0013]退火一般在3000?5000Pa的低壓環(huán)境下進(jìn)行，優(yōu)選4000Pa。一般是將空氣氣氛抽真空到3000?5000Pa。
[0014]所述步驟(4)中，優(yōu)選退火后的薄膜在600°C溫度下的空氣中保溫30分鐘。
[0015]本申請以多晶金剛石為襯底沉積納米金剛石薄膜，避免了以單晶硅為襯底時(shí)，硅在沉積過程中進(jìn)入納米金剛石薄膜，難以控制薄膜中的硅含量的問題；再采用離子注入方法將硅離子注入到納米金剛石薄膜中，以有效控制薄膜中的硅含量；并采用退火處理修復(fù)因離子注入產(chǎn)生的晶格損傷，在金剛石晶格中形成適量的S1-V發(fā)光中心，利用氧化處理去除薄膜表面的石墨等非金剛石相，使S1-V發(fā)光中心暴露于薄膜表面，產(chǎn)生S1-V發(fā)光現(xiàn)象。
[0016]本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在:(I)該方法采用離子注入方法將定量的硅摻入到納米金剛石薄膜中，使得硅的摻雜劑量實(shí)現(xiàn)定量化，實(shí)現(xiàn)了具有S1-V發(fā)光性能的納米金剛石薄膜的可控制備，為制備納米金剛石光電子器件奠定了基礎(chǔ)。(2)制備獲得的納米金剛石薄膜具有S1-V發(fā)光性能，對于實(shí)現(xiàn)其在單光子源、量子信息處理、光電子器件、生物標(biāo)記、半導(dǎo)體器件和場致發(fā)射顯示器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。
(四)
【附圖說明】
[0017]圖1為硅離子注入納米金剛石薄膜的Raman光譜圖。
[0018]圖2為600°C空氣中保溫30分鐘硅離子注入納米金剛石薄膜的Raman光譜圖，左上角為600°C空氣中保溫30分鐘硅離子注入納米金剛石薄膜的掃描電鏡圖。
[0019]圖3為600°C空氣中保溫30分鐘硅離子注入納米金剛石薄膜的S頂S譜圖。
[0020]圖4為600°C空氣中保溫30分鐘硅離子注入納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜圖。
(五)
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此:
[0022]實(shí)施例1:
[0023]用納米級金剛石粉打磨多晶金剛石襯底，打磨時(shí)間約15分鐘。打磨過的多晶金剛石襯底在金剛石微粉-丙酮懸濁液中超聲振蕩2小時(shí)，依次經(jīng)過去離子水、丙酮超聲清洗、干燥后，作為納米金剛石薄膜生長的襯底。采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法(化學(xué)氣相沉積設(shè)備購自上海交友鉆石涂層有限公司，型號(hào)為JUHF CVD001)，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，反應(yīng)室溫度控制在600?700°C，制備時(shí)間為4小時(shí)，制備出厚度為4?6 μπι的納米金剛石薄膜。采用10keV同位素分離器，注入能量為80keV，對納米金剛石薄膜進(jìn)行114Cm 2的硅離子注入處理，得到硅離子注入納米金剛石薄膜。采用掃描電鏡觀察硅離子注入納米金剛石薄膜的表面形貌，采用Raman光譜觀察硅離子注入納米金剛石薄膜的微結(jié)構(gòu)；采用光致發(fā)光譜測試薄膜的發(fā)光性能。
[0024]圖1為硅離子注入納米金剛石薄膜的Raman譜圖，采用的激發(fā)波長為514nm。可以在圖中1332cm1觀察到金剛石特征峰，在1580cm 1觀察到石墨峰，說明薄膜主要為金剛石相和石墨相組成的納米金剛石薄膜。
[0025]將上述納米金剛石薄膜在900 °C，4000Pa環(huán)境下退火30分鐘，然后在600 °C的空氣中保溫30分鐘，采用波長為514nm的Raman光譜對薄膜成分進(jìn)行分析，如圖2所示?？梢钥闯?，譜圖中出現(xiàn)了 1332cm1的金剛石特征峰，且峰強(qiáng)度高于離子注入時(shí)的Raman檢測結(jié)果，表明薄膜中存在的金剛石相經(jīng)過退火和熱氧化處理后仍能穩(wěn)定存在；在1580cm1還可觀察到無序SP2鍵的石墨峰，說明薄膜主要由金剛石相和無序石墨相組成，與通常的納米金剛石薄膜的Raman特征譜圖一致。圖2左上角為600°C空氣中保溫30分鐘硅離子注入納米金剛石薄膜的掃描電鏡圖，由圖2可知，大小為50?200nm的顆粒組成連續(xù)致密薄膜。
[0026]圖3為600°C空氣中保溫30分鐘硅離子注入納米金剛石薄膜的二次離子質(zhì)譜圖(SIMS)。結(jié)果表明，薄膜中Si/C比隨刻蝕時(shí)間增加而降低?？涛g深度隨時(shí)間同步增加，意即Si/C在薄膜表面呈現(xiàn)較高值，隨著薄膜水表面深度增加逐步減小。Si主要集中在納米金剛石表面，S1-V缺陷中心主要分布在薄膜表面。
[0027]圖4為600°C空氣中保溫30分鐘的硅離子注入納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜圖，測試結(jié)果表明，在600°C的空氣中熱氧化后的硅離子注入納米金剛石薄膜開始出現(xiàn)738nm的S1-V發(fā)光峰，說明離子注入可以在薄膜中引入S1-V缺陷中心，熱氧化處理后可使納米金剛石薄膜產(chǎn)生了 S1-V發(fā)光性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有S1-V發(fā)光的納米金剛石薄膜的可控制備方法，其特征在于所述方法包括以下步驟:(1)在多晶金剛石襯底上，采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法制備納米金剛石薄膜；(2)將步驟⑴得到的納米金剛石薄膜進(jìn)行硅離子注入處理，注入劑量為1013-1015cm2，得到硅離子注入的薄膜；(3)將步驟⑵得到的硅離子注入的薄膜在800-900 °C溫度下，3000?5000Pa壓力下，退火30-60分鐘，得到退火后的薄膜；(4)退火后的薄膜在500-600°C溫度下的空氣中保溫30-60分鐘，即制得所述具有S1-V發(fā)光的納米金剛石薄膜。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(I)采用以下步驟進(jìn)行:對多晶金剛石襯底采用金剛石研磨膏打磨15?60分鐘，打磨后的襯底放入金剛石微粉-丙酮懸濁液中超聲振蕩2?3小時(shí)，再依次用去離子水和丙酮超聲清洗、干燥后得到處理后的襯底，放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，反應(yīng)溫度600?700°C、反應(yīng)時(shí)間3?4小時(shí)，在多晶金剛石襯底上制備得到厚度4?6 μ m的納米金剛石薄膜。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中，硅離子的注入劑量為114Cm2O4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(3)中，退火溫度900°C，壓力4000Pa，退火時(shí)間30分鐘。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(4)中，退火后的薄膜在600°C溫度下的空氣中保溫30分鐘。6.如權(quán)利要求1?5之一所述的方法制備的具有S1-V發(fā)光的納米金剛石薄膜。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜的制備方法：在多晶金剛石襯底上，采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法制備納米金剛石薄膜；對納米金剛石薄膜進(jìn)行硅離子注入處理，注入劑量為1013-1015cm-2，得到硅離子注入的薄膜；硅離子注入的薄膜在800-900℃溫度下，3000～5000Pa壓力下，退火30-60分鐘，得到退火后的薄膜；再在500-600℃溫度下的空氣中保溫30-60分鐘，即制得所述具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜。本發(fā)明采用離子注入方法將定量的硅摻入到納米金剛石薄膜中，使得硅的摻雜劑量實(shí)現(xiàn)定量化，實(shí)現(xiàn)了具有Si-V發(fā)光性能的納米金剛石薄膜的可控制備，制備獲得的納米金剛石薄膜具有Si-V發(fā)光性能。
【IPC分類】C23C16/27, C23C16/56
【公開號(hào)】CN105154847
【申請?zhí)枴緾N201510570930
【發(fā)明人】胡曉君, 徐輝
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年9月9日