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CVD法生长碳纳米薄膜的研究

作　者: 肖金龙
导　师: 王万录
学　校: 重庆大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 化学气相沉积(CVD) 碳纳米薄膜电导场发射
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

本文利用热灯丝化学气相沉积法（HFCVD）制备了纳米量级的碳薄膜材料，对它的电学性质及场发射性质进行了详细的研究。在扼要概述碳的几种同素异形体的发现、性质和用途的基础上，分析了用热灯丝化学气相沉积法（HFCVD）制备金刚石薄膜的生长机理。阐述了在金刚石薄膜生长过程中气相碳源、固相基底以及激活氢分子与原子对生成产物的影响。分别用热力学理论和统计理论计算了碳膜的成核密度及生长速率，得出临界核尺寸和成核速率。在对热灯丝化学气相沉积法（HFCVD）制备纳米量级的碳薄膜材料的反应系统描述的基础上，对该反应系统的辐照场及温度场进行了计算机模拟。得出了基底表面的温度场分布。对于热灯丝阵列，基底表面的温度表现出一定的周期性分布，在宏观上表现出较好的均匀性。应用Boltzmann方程推导了薄膜的电阻率，包括薄膜尚未形成时的岛状结构、非连续薄膜及连续薄膜。对非连续薄膜的电导率热发射和隧道发射模型进行了对比。分别用扫描电子显微镜（SEM）、X-ray衍射仪（XRD）对制备的样品进行了分析，测量了石墨碳薄膜的电阻，得出电阻随反应基底温度及甲烷（CH₄）浓度的变化曲线。实验测得石墨碳薄膜的电阻随甲烷浓度的升高而降低，随反应温度的升高而升高。并且研究了非晶碳薄膜的场发射特性，计算了薄膜的功函数、实际发射面积和发射点密度。对样品薄膜不同区域发射特性的测试，显示出非晶碳薄膜很好的一致性。这说明薄膜的发射仍是以点发射的方式进行，只是发射点在薄膜内的分布是均匀的，因此在宏观上表现为均匀、一致的发射特性。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-8
1 引言  8-14
  1．1 富勒烯  8-9
  1．2 碳纳米管  9
  1．3 金刚石  9-12
  1．4 非晶碳膜  12
  1．5 本论文的研究目的和内容  12-14
2 实验方法  14-16
  2．1 实验装置简介  14-15
    2．1．1 反应腔  14
    2．1．2 控制系统  14-15
    2．1．3 供电系统  15
  2．2 对基底的预处理  15
  2．3 实验步骤  15-16
3 实验结果及讨论  16-23
  3．1 扫描电镜（SEM）  16-17
  3．2 拉曼光谱（Raman spectra）  17-18
  3．3 X射线衍射（XRD）  18-19
  3．4 电阻率  19-20
  3．5 场发射性质  20-21
  3．6 本章小结  21-23
4 金刚石膜生长机理  23-29
  4．1 成核与生长的物理过程  23
  4．2 生长要素  23-28
    4．2．1 气相碳源  23-25
    4．2．2 固相基底  25-26
    4．2．3 气相触媒  26-28
  4．3 本章小结  28-29
5 实验参数的模拟计算  29-35
  5．1 辐照场的模拟计算  29-30
  5．2 流场传热模拟计算  30-33
  5．3 温度场模拟  33-35
6 碳膜的成核密度及生长速率  35-41
  6．1 核形成热力学理论  35-39
    6．1．1 界面能理论  35-36
    6．1．2 临界核尺寸  36-37
    6．1．3 成核速率  37-39
  6．2 核形成统计理论  39-41
    6．2．1 临界核尺寸  39
    6．2．2 成核速率  39-41
7 碳纳米材料的电导率  41-49
  7．1 Boltzmann方程  41-42
  7．2 非连续碳薄膜的导电机理  42-45
    7．2．1 热发射  42-43
    7．2．2 隧道发射  43-45
  7．3 薄碳膜的电导率  45-46
  7．4 多晶碳薄膜的导电特性  46-49
8 结论  49-50
致谢  50-51
参考文献  51-54
附：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  54

CVD法生长碳纳米薄膜的研究

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