[논문 리뷰] Revisiting Effects of Nitrogen Incorporation and Graphitization on Conductivity of Ultra-nano-crystalline Diamond Films

Tanvi Nikhar, Robert Rechenberg외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 24인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 질소 도핑과 증착 온도가 초미세다이아몬드(UNCD) 필름의 전도도에 미치는 영향을 체계적으로 조사한다. 질소 농도(0–20%)와 성장 온도(1000–1300 K)를 변화시켜, 저항률을 네 개의 주기수준으로 조절할 수 있음을 입증한다. 도핑되지 않은 UNCD는 고온에서의 고유한 그래피티제이션으로 도전성 거동(1–10⁻² Ω·cm)을 나타내며, 질소는 결정립 경계에서 sp² 탄소 결합성을 향상시키지만 sp² 결정화 속도를 늦추므로 전도도 설계를 위한 균형이 중요하다.

ABSTRACT

Detailed structural and electrical properties of ultra-nano-crystalline diamond (UNCD) films grown in H$_ ext{2}$/CH$_ ext{4}$/N$_ ext{2}$ plasma were systematically studied as a function of deposition temperature ($T_d$) and nitrogen content ($\%$ N$_2$) to thoroughly evaluate their effects on conductivity. $T_d$ was scanned from 1000 to 1300 K for N$_2$ fixed at 0, 5, 10 and 20 $\%$. It was found that even the films grown in the synthetic gas mixture with no nitrogen could be made as conductive as 1$-$10$^{-2}$ $Ω$ cm with overall resistivity of all the films tuned over 4 orders of magnitude through varying growth parameters. On a set of 27 samples, Raman spectroscopy and scanning electron microscopy show a progressive and highly reproducible film material phase transformation, from ultra-nano-crystalline diamond to nano-crystalline graphite as deposition temperature increases. The rate of this transformation is heavily dependent on N$_2$ content. Addition of nitrogen greatly increases the amount of $sp^2$ bonded carbon in the films thus enhancing the physical connectivity in the GB network that have high electronic density of states. However, addition of nitrogen greatly slows down crystallization of $sp^2$ phase in the GBs. Therefore, proper balance between GB connectivity and crystallinity is the key in conductivity engineering of (N)UNCD.

연구 동기 및 목표

• UNCD 필름에서 질소의 n형 전도도 기여에 대한 이전 연구의 모순을 해결하기 위해.
• UNCD의 전기적 및 구조적 성질에 대한 질소 도핑과 증착 온도(Td)의 병합 효과를 체계적으로 조사하기 위해.
• 전도도 향상 원인이 질소 도핑인지, 고온에 의한 그래피티제이션인지 명확히 하기 위해.
• 최대 전도도를 얻기 위해 결정립 경계 연결성과 sp² 상의 결정성 사이의 최적 균형을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고정된 CH₄(10 sccm) 및 총 유량(200 sccm) 조건에서 H₂/CH₄/N₂ 기체 혼합물을 사용하여 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착(MPCVD)으로 27개의 UNCD 필름을 성장시켰으며, N₂ 농도를 0에서 20%로 변화시켰다.
• 챔버 압력(35–60 torr)과 마이크로파 출력(2.5–3.0 kW) 조절을 통해 증착 온도(Td)를 1043 K에서 1295 K로 체계적으로 변화시켰다.
• Raman 분광법을 사용하여 sp²/sp³ 탄소 농도 및 상의 진화를 평가하였다.
• 표면 및 단면형태, 결정립 경계 구조 분석을 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하였다.
• 저항률 측정을 위해 4점 프로브 측정법을 사용하였으며, 두께는 질량 변화 및 반사 간섭법으로 측정하였다.
• 표면 거칠기를 Dektak 6M 프로파일로미터로 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 증착 온도에서 질소 도핑이 UNCD 필름의 전기적 전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 온도 유도 그래피티제이션은 도핑되지 않은 UNCD 필름의 전도도에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 질소가 결정립 경계 연결성 향상에 기여하는 것과 sp² 상의 결정화 동역학에 미치는 영향의 상대 기여는 어떠한가?
• RQ4 Td와 N₂ 농도를 별도로 제어함으로써 저항률을 넓은 범위에서 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 도핑되지 않은 UNCD 필름(0% N₂)도 고온에서 고유의 그래피티제이션으로 인해 저항률이 1–10⁻² Ω·cm까지 낮아져, 높은 전도도를 얻기 위해 질소가 반드시 필요한 것은 아님을 보여주었다.
• 모든 필름의 저항률은 Td와 N₂ 농도를 변화시킴으로써 네 개 주기수준(약 10⁴에서 약 10⁰ Ω·cm)으로 조절 가능했다.
• Raman 및 SEM 분석을 통해 Td가 높아질수록 초미세다이아몬드에서 나노다이아몬드 그래파이트로의 점진적 전환이 관찰되었으며, 이 속도는 N₂ 농도에 크게 의존하였다.
• 질소 도핑은 sp² 결합 탄소의 비율을 크게 증가시키고 결정립 경계 네트워크의 물리적 연결성을 향상시켜 전자 밀도 상태를 증가시켰다.
• sp² 함량이 증가하는 상황에서도 질소 도핑은 결정립 경계에서 sp² 상의 결정화 속도를 느리게 하여 동역학적 억제 효과를 나타내었다.
• 최적의 전도도는 질소에 의한 결정립 경계 연결성 향상과 고온(Td)에서 유리한 sp² 상의 결정성 사이의 균형에서 비롯되며, 이는 전도도 설계에서의 상충관계를 시사한다.