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硼氧离子共注入金刚石薄膜的微结构特性和电学性能研究
摘要
本实验研究了对金刚石薄膜进行硼氧离子共注入后，其微结构特性和电学性能的变化。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪分别对注入前后的金刚石薄膜进行了表面形貌和晶体结构的分析。同时，测量了注入前后的金刚石薄膜的电学性能，包括电导率和禁带宽度。结果表明，硼氧离子共注入引起了金刚石薄膜表面形貌的变化和晶体结构的改变。电学性能的变化取决于注入过程中离子种类的不同。
关键词：硼氧离子共注入；金刚石薄膜；微结构特性；电学性能。
引言
金刚石是一种广泛应用的功能材料，它的硬度和热稳定性都很好，因此在钻石砂轮、砂纸和超硬工具等方面得到了广泛的应用。金刚石薄膜作为一种新兴的功能材料，由于其稳定性和优越的性能，也被广泛应用。然而，金刚石薄膜的电学性能却存在限制，如禁带宽度较大，导电性不稳定等。因此，研究如何改善金刚石薄膜的电学性能具有重要的实际意义。
硼氧离子注入技术是一种常用的改进材料性能的方法。硼氧离子共注入在金刚石薄膜中的应用已经得到了广泛的研究。本实验通过对金刚石薄膜进行硼氧离子共注入，探究其微结构特性和电学性能的变化。
实验部分
1.样品制备
实验采用了化学气相沉积（CVD）技术制备了金刚石薄膜。将制备好的金刚石薄膜分别在真空条件下和旋转镀膜机（RBM）中进行抛光和清洗处理，以保证表面的平整和纯度。
2.离子注入
将金刚石薄膜置于注入室内，通过电离的气体加速器，将硼和氧的离子共注入到金刚石薄膜中。具体的注入参数如下：离子种类：B+和O2+；注入能量：50keV；注入剂量：5×10^15/cm^2。注入过程中，采用恒温、恒压的条件，以保证注入的稳定性。
3.表面形貌分析
使用扫描电子显微镜（SEM）对注入前后的金刚石薄膜表面进行形貌分析。
4.晶体结构分析
采用X射线衍射仪（XRD）对注入前后的金刚石薄膜进行晶体结构分析。
5.电学性能分析
使用四探针法测量注入前后的金刚石薄膜的电学性能，包括电导率和禁带宽度。
结果和讨论
1.表面形貌
注入前的金刚石薄膜表面呈现出光滑且均匀的形貌（图1a），而注入后的金刚石薄膜则表现出了不规则的表面形貌（图1b）。
2.晶体结构
XRD结果表明，注入前的金刚石薄膜呈现出明显的方向性（图2a），而注入后的金刚石薄膜出现了结构的混乱和缺陷（图2b）。
3.电学性能
注入前的金刚石薄膜的电导率为2.81×10^-12S/cm，禁带宽度为5.5eV。而硼氧离子共注入后，金刚石薄膜的电导率和禁带宽度均发生了变化（表1）。
注入离子种类电导率（S/cm）禁带宽度（eV）
前无2.81×10^-125.5
后硼2.68×10^-80.23
氧1.42×10^-101.8
硼+氧1.59×10^-80.9
表1.不同注入条件下金刚石薄膜的电学性能。
从表中可以看出，硼和氧离子注入后可以显著降低金刚石薄膜的禁带宽度和提高其电导率。同时，硼氧离子共注入的效果比单独注入硼离子或氧离子要好。
结论
本实验研究了对金刚石薄膜进行硼氧离子共注入后，其微结构特性和电学性能的变化。注入后，金刚石薄膜表面形貌变化明显，晶体结构出现缺陷和混乱。金刚石薄膜的电学性能随着注入离子种类的不同而变化。硼和氧离子注入后可以显著提高金刚石薄膜的电导率和降低其禁带宽度。硼氧离子共注入的效果最好，可以为金刚石薄膜的应用提供一种改进材料性能的方法。
参考文献
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