一種具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜及制備方法：采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，在單晶硅襯底上制備納米金剛石薄膜；然后對薄膜在500-700℃溫度下的空氣中保溫5～150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)明制備獲得的納米金剛石薄膜的Si-V發(fā)光強(qiáng)度較強(qiáng)，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。
【專利說明】-種具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜及制備方法 (一）

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有Si-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（Si-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Si-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Si-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?；瘜W(xué)氣相 沉積（CVD)制備的納米金剛石薄膜中的Si-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Si-V發(fā) 光，而有的薄膜并不具有Si-V發(fā)光性能，即薄膜的Si-V發(fā)光性能難以控制。因此，本發(fā)明 探索具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜的制備方法，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。
[0004] 在 申請人:的授權(quán)專利"一種η型納米金剛石薄膜及制備方法"(ZL200910155306.3) 中，提出在納米金剛石薄膜中注入施主雜質(zhì)離子，并對薄膜進(jìn)行真空退火處理，獲得了電阻 率較低，遷移率較高的η型納米金剛石薄膜。該專利涉及真空退火及薄膜的電學(xué)性能。本 申請對薄膜進(jìn)行空氣中的氧化處理，提高了薄膜的Si-V發(fā)光性能。目前文獻(xiàn)中對薄膜進(jìn)行 氧化處理，主要研究氧化對薄膜微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等的影響；而氧化處理對薄膜的Si-V發(fā) 光性能的影響等研究未見報(bào)道。 (三）


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種具有Si-V發(fā)光（Si-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Si-V成為極具潛 力的單光子源）的納米金剛石薄膜及制備方法。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜的制備方法，所述方法包括：（1)在單晶硅 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（1)得到的納米金剛 石薄膜在500-700°C (優(yōu)選600-700°C )溫度下的空氣中保溫5?150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)明采用熱絲化學(xué)氣相沉積方法，制備納米金剛石 薄膜，并對薄膜在空氣中進(jìn)行熱氧化處理，制備得到具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜。該 方案解決了熱絲化學(xué)氣相沉積法制備得到的納米金剛石薄膜的Si-V發(fā)光性能不穩(wěn)定的問 題。
[0008] 本發(fā)明還提供一種具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜，所述薄膜按以下方法制得： (1)在單晶硅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（1)得到 的納米金剛石薄膜在500-700°C溫度下的空氣中保溫5?150分鐘，即制得所述具有Si-V 發(fā)光的納米金剛石薄膜。制得的薄膜表面發(fā)生了氧化，薄膜表面為氧終止。
[0009] 所述納米金剛石薄膜采用熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD)法在單晶硅襯底上制備，可 采用常規(guī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備進(jìn)行，制備獲得的納米金剛石薄膜厚度通常在1?10 μ m。
[0010] 優(yōu)選的，所述步驟（1)具體方法如下：對單晶硅襯底采用金剛石研磨膏打磨半小 時(shí)，打磨后的金剛硅襯底放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備，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5?6小時(shí)，在單晶硅襯底上制備得到厚 度為1?10^的納米金剛石薄膜。
[0011] 所述步驟（2)優(yōu)選為以下操作方法之一：
[0012] ⑴將步驟⑴得到的納米金剛石薄膜在500°C溫度下的空氣中保溫150分鐘，即 制得所述具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜；
[0013] (ii)將步驟（1)得到的納米金剛石薄膜在600°C溫度下的空氣中保溫30分鐘，即 制得所述具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜；
[0014] (iii)將步驟（1)得到的納米金剛石薄膜在700°C溫度下的空氣中保溫5分鐘，即 制得所述具有Si-V發(fā)光的納米金剛石薄膜。
[0015] 更優(yōu)選所述步驟（2)為上述方法（ii)或（iii)。
[0016] 本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：（1)該方法將納米金剛石薄膜在空氣中加熱一定 時(shí)間，使得不具備Si-ν發(fā)光的薄膜呈Si-V發(fā)光，該方法簡單、易于操作；（2)采用CVD方法 制備納米金剛石薄膜，然后對薄膜在一定溫度的空氣中保溫一定時(shí)間，使得納米金剛石薄 膜具有Si-V發(fā)光性能。該方案解決了化學(xué)氣相沉積制備得到的薄膜的Si-V發(fā)光性能不穩(wěn) 定的問題，為制備納米金剛石光電子器件奠定了基礎(chǔ)。（3)制備獲得的納米金剛石薄膜的 Si-V發(fā)光性能較強(qiáng)，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）

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為納米金剛石薄膜的場發(fā)射掃描電鏡（FESEM)照片。
[0018] 圖2為納米金剛石薄膜的高分辨透射電鏡（HRTEM)照片。
[0019] 圖3為納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜，其右上小圖為薄膜的Raman光譜圖。
[0020] 圖4為500°C空氣中保溫150分鐘的納米金剛石薄膜的Raman光譜圖。
[0021] 圖5為500°C空氣中保溫150分鐘的納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜圖。
[0022] 圖6為600°C空氣中保溫30分鐘的納米金剛石薄膜的Raman光譜圖。
[0023] 圖7為600°C空氣中保溫30分鐘的納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜圖。
[0024] 圖8為700°C空氣中保溫5分鐘的納米金剛石薄膜的Raman光譜圖。
[0025] 圖9為700°C空氣中保溫5分鐘的納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜圖。 (五）

【具體實(shí)施方式】
[0026] 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：
[0027] 實(shí)施例1 :
[0028] 用納米級金剛石粉打磨單晶硅片，打磨時(shí)間約半小時(shí)。打磨過的硅片經(jīng)過超聲清 洗后，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），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5小時(shí)，制備出厚度為3 μ m的納米金剛石 薄膜。采用場發(fā)射掃描電鏡觀察薄膜的表面形貌，采用高分辨透射電鏡（HRTEM)觀察薄膜 的微結(jié)構(gòu)；采用光致發(fā)光譜測試薄膜的發(fā)光性能。
[0029] 圖1為納米金剛石薄膜的場發(fā)射掃描電鏡（FESEM)照片，可見薄膜是由納米級的 金剛石晶粒組成；圖2為薄膜的高分辨透射電鏡（HRTEM)照片，可以看出直徑為3?5nm的 金剛石晶粒（黑色）鑲嵌在非晶碳相（淺灰色）中，表明納米金剛石薄膜是由納米金剛石 晶粒和非晶碳晶界組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖3為薄膜的光致發(fā)光譜圖，可以看出，薄膜在738nm 處不具有Si-V發(fā)光峰，說明熱絲化學(xué)氣相沉積制備得到的納米金剛石薄膜不具有Si-V發(fā) 光性能。圖3右上小圖為納米金剛石薄膜的Raman光譜，圖譜表明在1332CHT 1處出現(xiàn)了金 剛石特征峰，在1560CHT1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，為普通的納米金剛石薄膜。
[0030] 將上述納米金剛石薄膜在500°C的空氣中保溫150分鐘，采用波長為514nm的 Raman光譜對薄膜成分進(jìn)行分析，如圖4所示?？梢钥闯?，譜圖中出現(xiàn)了 1332CHT1的金剛石 特征峰，表明薄膜中存在金剛石相；在1560CHT1還可觀察到無序sp 2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（圖3右 上小圖）一致。
[0031] 圖5為500°C空氣中保溫150分鐘的納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜圖，測試結(jié)果表 明，在500°C的空氣中熱氧化后的納米金剛石薄膜開始出現(xiàn)738nm的Si-V發(fā)光峰，說明熱氧 化處理使納米金剛石薄膜產(chǎn)生了 Si-V發(fā)光性能。
[0032] 實(shí)施例2 :
[0033] 采用納米級金剛石粉打磨單晶硅片，打磨時(shí)間約半小時(shí)。打磨過的硅片經(jīng)過超聲 機(jī)清洗后，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），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6小時(shí)，制備出厚度為3. 5 μ m的納米 金剛石薄膜。光致發(fā)光譜測試結(jié)果表明，薄膜不具有Si-V發(fā)光峰，說明制備得到的納米金 剛石薄膜不具有Si-V發(fā)光性能。
[0034] 將上述的納米金剛石薄膜在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6所示。可以看出，譜圖中出現(xiàn)了 1332CHT1的金剛石 特征峰，表明薄膜中存在金剛石相；在1560CHT1還可觀察到無序sp 2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。
[0035] 圖7為600°C空氣中保溫30分鐘的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30分鐘后的納米金剛石薄膜出現(xiàn)了 738nm的Si-V發(fā)光峰，并 且其Si-V發(fā)光強(qiáng)度較500°C的空氣中熱氧化150分鐘后的薄膜強(qiáng)，說明該溫度和時(shí)間的熱 氧化處理能使納米金剛石薄膜產(chǎn)生更明顯的Si-v發(fā)光峰。
[0036] 實(shí)施例3 :
[0037] 采用納米級金剛石粉打磨單晶硅片，打磨時(shí)間約半小時(shí)。打磨過的硅片經(jīng)過超聲 機(jī)清洗后，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），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5小時(shí)，制備出厚度為3 μ m的納米金 剛石薄膜。光致發(fā)光譜測試結(jié)果表明，薄膜不具有Si-V發(fā)光峰，說明制備得到的納米金剛 石薄膜不具有Si-V發(fā)光性能。
[0038] 將上述的納米金剛石薄膜在700°C的空氣中保溫5分鐘，采用波長為514nm的 Raman光譜對薄膜成分進(jìn)行分析，如圖8所示?？梢钥闯觯V圖中出現(xiàn)了 1332CHT1的金剛石 特征峰，表明薄膜中存在金剛石相；在1560CHT1還可觀察到無序sp 2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。
[0039] 圖9為700°C空氣中保溫5分鐘的納米金剛石薄膜的光致發(fā)光譜圖，測試結(jié)果表 明，在700°C的空氣中熱氧化5分鐘后的納米金剛石薄膜出現(xiàn)了 738nm的Si-V發(fā)光峰，說明 熱氧化處理使納米金剛石薄膜產(chǎn)生了 Si-V發(fā)光峰。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有Si-v發(fā)光的納米金剛石薄膜的制備方法，其特征在于所述方法包括以下 步驟：（1)在單晶硅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 (1)得到的納米金剛石薄膜在500-700°C溫度下的空氣中保溫5?150分鐘，即制得所述具 有Si-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（1)的方法如下：對單晶硅襯底采 用金剛石研磨膏打磨半小時(shí)，打磨后的金剛硅襯底放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備，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5?6小時(shí)，在 單晶硅襯底上制備得到厚度為1?10 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，在空氣中保溫的溫度為 600 ?700。。。
4. 如權(quán)利要求1?3之一所述的方法制得的納米金剛石薄膜，在光致發(fā)光譜的738nm 處具有明顯的發(fā)光峰，具有Si-V發(fā)光性能。
【文檔編號】B82Y30/00GK104060237SQ201410256615
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】胡曉君, 梅盈爽 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)