[論文レビュー] Etching of Photon Energy into Binding Energy in Depositing Carbon Films at Different Chamber Pressures

Mubarak Ali|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ホットフィラメント化学蒸着法（HFCVD）におけるチャンバープレスチャが、炭素膜における気体状炭素原子のダイヤモンドおよびグラファイト相への変換に与える影響を調査している。光子エネルギーが原子水素を介して結合エネルギーに変換される過程を分析することで、3.3 kPa から 8.6 kPa に至る圧力上昇が膜成長およびダイヤモンド形成を促進することが明らかになった。一方、11.3 kPa 以上の圧力ではグラファイトが優勢となり、原子水素がエネルギー・ビットを形成し、相形成を制御する重要な役割を果たしていることが判明した。

ABSTRACT

A hot filament chemical vapor deposition is an attractive technique to deposit carbon films of different applications. In this technique, it is also feasible to study the influence of chamber pressure in the deposition of carbon films. In the deposition chamber, having dissociated from the methane precursor, gaseous carbon atoms first convert into the graphite state atoms and then into the diamond state atoms. An increase in the chamber pressure changes the morphology and structure of the deposited carbon films. The growth rate of the deposited carbon film increases by increasing the chamber pressure from 3.3 kPa to 8.6 kPa. The rate of converting gaseous carbon atoms into diamond atoms also increases. At 11.3 kPa and 14 kPa chamber pressure, gaseous carbon atoms convert into graphite state atoms at a high rate. The gas activation and gas collision processes vary broadly at varying chamber pressure. The morphology and structure of carbon films got deposited at different growth rates. The dissociation of molecular hydrogen into atomic hydrogen varies by varying the chamber pressure. Atomic hydrogen etched the photons released from the hot filaments. Thus, bits of differently shaped energy result. Gaseous carbon atoms convert into graphite and diamond state atoms under suitably shaped bits of energy. Graphite state atoms bind under the same involved bits, which is not the case when the diamond state atoms bind. The study sets a new trend in depositing, characterizing, and analyzing carbon films.

研究の動機と目的

• ホットフィラメントCVDにおけるチャンバープレスチャが炭素膜堆積に与える影響を理解すること。
• 光子エネルギーを結合エネルギーに変換するための原子水素の役割が、相制御に果たす影響を調査すること。
• 変動するチャンバープレスチャと関連して、成長速度、表面形態、構造的相（ダイヤモンド対グラファイト）の相関を特定すること。
• 気体活性化、衝突、およびエネルギー・ビット形成の連携が炭素膜合成に与える新しいメカニズムを確立すること。

提案手法

• 3.3 kPa から 14 kPa のチャンバープレスチャ範囲で、ホットフィラメント化学蒸着法（HFCVD）を用いて炭素膜を堆積させた。
• メタンを炭素源とし、ホットフィラメントの存在下で気体状炭素原子に解離させた。
• 分子水素の解離から生成する原子水素が、光子エネルギーを構造化されたエネルギー・ビットに変換する役割を果たすかを分析した。
• 圧力範囲に応じた気体活性化および衝突プロセスが相形成に与える影響を評価した。
• 堆積膜の表面形態および構造を、成長速度および圧力条件と照合した。
• 光子-原子水素相互作用から生じるエネルギー・ビットの形状が、炭素原子の結合状態をダイヤモンドまたはグラファイト相に決定づけるという、新しい概念的枠組みを提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャンバープレスチャを上昇させることで、HFCVDにおける炭素膜の成長速度および相組成はどのように変化するか？
• RQ2 原子水素は、炭素相形成に寄与する光子エネルギーをどのように結合エネルギーに変換するか？
• RQ3 なぜ11.3 kPa 以上の高圧域でダイヤモンドからグラファイトへの相転移が生じるのか？
• RQ4 気体活性化および衝突ダイナミクスは、チャンバープレスチャに応じてどのように変化し、膜構造に影響を与えるか？
• RQ5 「形状が異なるエネルギー・ビット」が、炭素原子がダイヤモンド相かグラファイト相に結合するかを決定づけるメカニズムは何か？

主な発見

• チャンバープレスチャが 3.3 kPa から 8.6 kPa に上昇する間、炭素膜の成長速度が増加し、堆積動力学が向上していることが示された。
• 11.3 kPa および 14 kPa では、気体状炭素原子がグラファイト状態に変換される割合が顕著に上昇しており、相転移の臨界点であることが示された。
• 原子水素がホットフィラメントから放出される光子をエッチングし、「形状の異なるエネルギー・ビット」を生成しており、これが炭素相形成を導く役割を果たしていることが判明した。
• 特定のエネルギー・ビット配置下ではダイヤモンド相の結合が進行し、一方でグラファイト相の結合には明確に異なる、重複しないエネルギー条件が必要であった。
• 3.3 kPa から 8.6 kPa の間で、気体状炭素原子がダイヤモンド状態に変換される速度が著しく増加した。
• 本研究では、原子水素によるエネルギー・ビットの形状が、炭素膜堆積の構造的結果を決定づけるという、画期的なメカニズムを提唱した。