[논문 리뷰] Etching of Photon Energy into Binding Energy in Depositing Carbon Films at Different Chamber Pressures

Mubarak Ali|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 29.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 핫 필라멘트 화학적 기체 분해법(HFCVD)에서 캐비티 압력가 탄소 필름 내 기체 상태 탄소 원자가 다이아몬드 및 그래파이트 상으로 전환되는 데 미치는 영향을 조사한다. 원자 수소에 의한 광자 에너지의 결합 에너지로의 변환 분석을 통해, 3.3 kPa에서 8.6 kPa로의 압력 증가가 필름 성장과 다이아몬드 형성에 기여하는 것으로 밝혀졌으며, 11.3 kPa 이상의 압력에서는 그래파이트가 유리해지며, 원자 수소가 상 형성 방향을 결정하는 에너지 빗의 형성에 핵심적인 역할을 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 핫 필라멘트 CVD에서 캐비티 압력이 탄소 필름 침착에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 광자 에너지를 상 제어를 위한 결합 에너지로 변환하는 데 있어 원자 수소의 역할을 조사하기 위해.
• 다양한 캐비티 압력에서 성장 속도, 미세 구조 및 구조적 상(다이아몬드 대비 그래파이트) 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 기체 활성화, 충돌 및 에너지 빗 형성 간의 새로운 메커니즘을 설정하기 위해.

제안 방법

• 3.3 kPa에서 14 kPa의 캐비티 압력 범위에서 핫 필라멘트 화학적 기체 분해법(HFCVD)을 사용하여 탄소 필름을 침착하였다.
• 메탄을 탄소 원료로 사용하였으며, 뜨거운 필라멘트 존재 하에서 기체 상태 탄소 원자로 분해되었다.
• 분자 수소의 해리에 의해 생성된 원자 수소가 광자 에너지를 구조화된 에너지 빗으로 변환하는 데 미치는 영향을 분석하였다.
• 압력 범위 전반에서 기체 활성화 및 충돌 과정이 상 형성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 침착된 필름의 미세 구조 및 구조를 성장 속도 및 압력 조건과 연관지어 분석하였다.
• 광자-원자 수소 상호작용에서 유래한 에너지 빗의 형성 방식이 탄소 원자가 다이아몬드 또는 그래파이트 상태로 결합하는 방식을 이끄는 새로운 개념적 프레임워크를 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HFCVD에서 캐비티 압력이 증가함에 따라 탄소 필름의 성장 속도와 상 조성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 원자 수소는 광자 에너지를 탄소 상 형성에 필요한 결합 에너지로 어떻게 변환시키는가?
• RQ3 왜 고압(11.3 kPa 이상)에서 다이아몬드에서 그래파이트로의 전이가 발생하는가?
• RQ4 기체 활성화 및 충돌 역학은 캐비티 압력에 따라 어떻게 변화하며, 필름 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 '형태가 조절된 에너지 빗'이 탄소 원자가 다이아몬드 또는 그래파이트 상으로 결합하는 방식을 결정하는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 3.3 kPa에서 8.6 kPa로의 캐비티 압력 증가 동안 탄소 필름의 성장 속도가 증가하여 침착 동역학이 향상됨을 나타냈다.
• 11.3 kPa 및 14 kPa에서 기체 상태 탄소 원자가 그래파이트 상 상태로 전환되는 비율이 높아져 상 전이점이 확인되었다.
• 원자 수소가 뜨거운 필라멘트에서 방출된 광자를 에너지 빗으로 가공하여 탄소 상 형성 방향을 이끄는 데 기여하는 것으로 밝혀졌다.
• 특정 에너지 빗 구조에서 다이아몬드 상 결합이 발생하는 반면, 그래파이트 상 결합은 상이하고 겹치지 않는 에너지 조건이 필요하였다.
• 3.3 kPa에서 8.6 kPa 사이에서 기체 상태 탄소 원자를 다이아몬드 상 상태로 전환하는 비율이 크게 증가하였다.
• 이 연구는 원자 수소에 의한 에너지 빗 형성 방식이 탄소 필름 침착의 구조적 결과를 결정하는 새로운 메커니즘을 제안하였다.