立方氮化硼薄膜的制备与表征

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1、立方氮化硼薄膜的制备与表征薄膜物理/技术在基础研究和应用研究两方面都有很重要的意义，因为：1）各种材料的薄膜（两维体系）往往都表现出与其体材料（三维体系）不同的性质；2）实际中的很多应用（如光学薄膜、各种保护膜等）往往只对材料表面的性质有要求（通过镀膜即可实现）。薄膜物理/技术的研究对象是薄膜、衬底和它们之间的界面，主要内容包括能满足特定需要的镀膜设备的构建、镀膜过程的控制和薄膜性能的表征等。立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的超硬材料，因其特殊的物理化学性能，有非常广泛的应用前景。近年来，人们对立方氮化硼薄膜进行了大量的深入研究，也取得了不少可喜的进展；

2、但由于薄膜的稳定性等原因，人们期盼的大面积的应用仍未实现。由于立方氮化硼薄膜生长对实验参数有很严格的要求，薄膜的表征又需要有若干相关的表面分析的基础知识，本实验旨在让学生通过实验准备及随后的实际操作过程中可以深入地了解和掌握下列相关知识和技术：高真空技术，等离子体物理，薄膜制备与监控，离子与固体表面的相互作用和表面分析等，从而拓展自己的知识面，培养对有关工作兴趣，并为将来的研究工作打下较好的基础。一、背景知识立方氮化硼（c-BN）是一种人工合成的强度仅次于金刚石的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，具有宽带隙、低介电常数、高化学稳定性（优于金刚石）、耐高温耐腐

3、蚀等诸多优异性能，此外相比于金刚石，c-BN还具有可进行p型和n型掺杂等优点，因此c-BN在力学、热学及电子学等方面都有着广泛的应用前景。1.1立方氮化硼简介1.1.1氮化硼的结构与碳相类似，氮化硼既有软的六角的sp2杂化结构又有硬的类金刚石的sp3杂化结构。其四种相结构分别是与金刚石的闪锌矿结构对应的立方氮化硼（c-BN），与六角石墨对应的六角氮化硼（h-BN），与三方菱面体结构的石墨对应的菱形氮化硼（r-BN）和与六方金刚石对应的纤锌矿氮化硼（w-BN），如图1.1所示。其中sp2杂化的h-BN和sp3杂化的c-BN为稳定态结构，而sp2杂化的r

4、-BN和sp3杂化的w-BN为非稳定结构。图1.1氮化硼的四种相结构：（a）h-BN,（b）r-BN,（c）w-BN,（d）c-BN此外，还有与C60相对应的BN富勒烯和与碳纳米管相对应的BN纳米管。不同的结构决定了他们具有不同的性质。表1.1是氮化硼各相的一些参数的比较。表1.1氮化硼的四种相结构的参数比较[1]c-BNh-BNr-BNw-BN结构闪锌矿结构六角结构菱面体结构纤锌矿结构晶格常数（Å）a=3.615d=1.565a=2.5043c=6.6661a=2.2507c=9.999a=2.5505c=4.213密度（g/cm3）3.482.2

5、812.2763.45成键方式sp3杂化sp2杂化sp2杂化sp3杂化FTIR特征峰（cm-1）783，82，1367，16161065，138013401090，1120，1230Raman特征峰（cm-1）52，1366790，13671056，1304950，1015，1050，1290（一）六角氮化硼（h-BN）六角氮化硼属于六角晶系，其结构与石墨的层状结构相似，沿c轴方向各层原子按ABAB……的方式排列。原子层由氮和硼形成的六边形环构成，原子层内是氮和硼形成的强的sp2共价键，键长a为0.2504nm，原子层间由弱的范德华力结合，键长c为0

6、.6661nm。由于沿c轴方向键合力小，原子间距较大，层间易于滑动，因此六角氮化硼是良好的固体润滑剂。（二）菱形氮化硼（r-BN）菱形氮化硼（三角氮化硼）属于三角晶系，具有菱面体结构。它的结构和h-BN非常类似，只是沿c轴方向原子层以ABCABC……方式排列，如图1.1（b）所示。晶格常数a为2.2507Å，c为9.999Å，密度为2.276g/cm3[2]。由于r-BN和h-BN具有相似的性质，因而不能用物理方法将二者分离开来。（三）纤锌矿氮化硼（w-BN）纤锌矿氮化硼（密排六角氮化硼）属于六角晶系，具有纤锌矿结构，沿c轴方向原子层以ABAB……方

7、式排列，如图1.1（c）所示。晶格常数a为2.5505Å，c为4.213Å，密度为3.45g/cm3[2]。w-BN是一种自然界没有的人造超硬材料，其原子间以sp3杂化方式成键，具有很高的硬度（仅次于立方氮化硼）。（四）立方氮化硼（c-BN）立方氮化硼具有与金刚石相似的晶体结构和晶格常数，其晶体结构为闪锌矿结构。闪锌矿结构和金刚石结构一样，都可以看作是两个彼此错开了体对角线1/4距离的面心立方结构。所不同的是对于闪锌矿结构，两个面心立方点阵上的原子是两种不同的原子；而对于金刚石结构，两个面心立方晶格上的原子是同一种原子。这种结构有一个特点：任何一个原

8、子都有四个最近邻原子，它们总是分别处于一个正四面体的各个顶点上。我们称这种结构为四面体结构。具有四面体结构的