[논문 리뷰] Phase transitions and critical phenomena of tiny grains thin films synthesized in microwave plasma chemical vapor deposition and origin of v1 peak

Mubarak Ali, I‐Nan Lin|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 25.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 53인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 마이크로파 플라즈마 CVD에서 전자빔 역학이 초나노결정성(UNCD) 및 나노결정성 다이아몬드(NCD) 필름의 구조적 진화를 지배하며, 이로 인해 두차원 타원형과 일차원 격자형 구조를 형성하는 상전이가 발생함을 밝혀냈다. 이러한 구조적 변형은 라만 스펙트럼 특성과 직접적으로 연관되며, 격자형 입자에서 기인하는 v1 피크와 두차원 타원형에서 기인하는 D* 밴드가 관찰되며, 전자기 발산 특성은 격자형 형태에 의해 영향을 받는다.

ABSTRACT

Different trends have been observed in Raman analyses and electron field emission measurements of ultrananocrystalline diamond (UNCD) and nanocrystalline diamond (NCD) films synthesized in plasma-based chemical vapor deposition techniques. Phase transitions in any material are crucial as they may be the origin of new phenomenon. In the present work, it has been observed that dynamics determine the structure of tiny grains of UNCD and NCD films and those made in two-dimensional structure they stretched in the direction of impinging electron streams where diffusion of electrons states of atoms is orientation based. In those tiny grains where atoms stretch less photons of hard X-ray still retain two-dimensional structure where atoms are more like in oval shape, on stretching one-dimensionally. On the other hand, those tiny grains where all atoms are stretched more (one-dimensionally and uniformly), on propagation of photons on surfaces of their electronic structures, they are transformed into grating like shapes. In Raman spectra, peaks related to v1 band and D* band are due to those tiny grains of UNCD and NCD films which are transformed into grating like shapes and two-dimensional structures, respectively. Field emission characteristics of UNCD and NCD films are resulted on the basis of tiny grains transformed into grating like shapes. High resolution transmission electron microscopy analyses physically show transforming of two different structures of tiny grains in so called UNCD and NCD films and validate the observations.

연구 동기 및 목표

• 초나노결정성 및 나노결정성 다이아몬드 필름에서 v1 라만 피크의 기원을 규명하는 것.
• 마이크로파 플라즈마 CVD 동안 전자빔 역학이 미세한 다이아몬드 입자의 원자 구조 형성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 관측된 구조적 형태와 라만 스펙트럼 특성 및 전자기 발산 특성 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM)을 활용하여 UNCD 및 NCD 필름의 구조적 전환을 검증하는 것.

제안 방법

• UNCD 및 NCD 필름의 진동 모드를 분석하기 위해 라만 스펙트럼 측정을 수행하였으며, 특히 v1 및 D* 밴드에 집중하였다.
• 전자기 발산 특성과 나노막대 형태 간의 상관관계를 규명하기 위해 전자기 발산 측정을 실시하였다.
• 미세한 다이아몬드 입자 내 원자 배열을 직접 시각화하기 위해 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM)을 활용하였다.
• 전자기류 방향이 두차원 및 일차원 구조에서 원자 스트레칭과 구조적 이방성에 미치는 영향을 분석하였다.
• 전자빔 조사 조건 하에서 원자 구조가 타원형 두차원 형상에서 격자형 일차원 형태로의 전환을 매핑하였다.
• 높게 스트레칭된 입자 표면에서의 광자 전파가 주기적인 격자형 구조 형성과 관련되어 있음을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초나노결정성 및 나노결정성 다이아몬드 필름에서 v1 라만 피크는 무엇에 의해 발생하는가?
• RQ2 플라즈마 CVD 동안 전자빔 역학은 미세한 다이아몬드 입자의 원자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 UNCD 및 NCD 필름에서 격자형 형태의 형성에 기여하는 구조적 전환은 무엇인가?
• RQ4 전자기 발산 특성은 나노다이아몬드 입자의 형태와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 원자 스트레칭 방향은 다이아몬드 입자의 두차원 또는 일차원 구조 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• v1 라만 피크는 전자빔 조사 조건 하에서 균일한 원자 스트레칭으로 인해 일차원 격자형으로 배열된 미세한 다이아몬드 입자에서 기인한다.
• D* 라만 밴드는 스트레칭이 균일하지 않은 영역에서 형성된 두차원 타원형 원자 구조와 관련되어 있다.
• UNCD 및 NCD 필름의 전자기 발산 특성은 전자빔에 의해 유도된 원자 정렬로 인해 형성된 격자형 나노구조의 존재와 직접적으로 연관되어 있다.
• 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM)은 타원형 두차원 입자와 일차원 격자형 입자라는 두 가지의 명확한 구조 형태가 존재함을 확인하였다.
• 마이크로파 플라즈마 CVD 동안 전자빔 역학은 원자의 이방성 스트레칭을 유도하며, 이는 방향에 따라 달라지는 전자적 및 구조적 성질을 초래한다.
• 높게 스트레칭된 입자의 전자 표면에서의 광자 전파가 주기적인 격자형 구조 형성과 관련되어 있으며, 이는 스펙트럼적으로 v1 피크로 식별된다.