[논문 리뷰] Deposition Chamber Pressure on the Morphology of Carbon Films

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

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 핫필라멘트 화학적 기체화학적 증착 반응기에서 캐비티 압력이 탄소 필름의 형태, 성장 속도 및 구조 상태(다이아몬드 대 기공성 탄소)를 어떻게 조절하는지 조사한다. 25에서 105 토르까지 압력을 변화시켜 연구한 결과, 중간 압력(65 토르)에서 필름 성장과 다이아몬드 상 형성이 최대가 되며, 높은 압력에서는 기공성 탄소 구조가 유리해지고 성장 속도가 감소한다.

ABSTRACT

Depositing thin and thick films in different coating technology units is the beauty of deposition technology where every process deals chamber pressure. In hot-filament reactor, in addition to force, chamber pressure deals heat and photon energy settling into available mass per unit area or volume. Temperature of substrate material and filaments under fixed input power vary as per residence time under set pressure of entered dissociating CH4 and H2 gases. Dynamics of carbon atoms along with their transformation rate from gas state to other states vary largely under varying chamber pressure which influences their deposition rate in addition to content-specific structural evolution. The increase in the chamber pressure from 25 torr to 105 torr influences morphology of films comprising tiny grains, grains and crystallites. The increase in the chamber pressure to 65 torr increases the growth rate of carbon film along with discernible features. At intermediate range of pressure, gas state carbon atoms transformed into diamond state at high rate. At high chamber pressures, gas state carbon atoms transformed into graphitic state at high rate where low growth rate of films resulted. Deposited carbon films are investigated under the investigation of original line of experimental results opening abundant avenues of materials research.

연구 동기 및 목표

• 핫필라멘트 CVD를 통해 증착된 탄소 필름의 형태 및 구조적 진화에 대한 캐비티 압력의 영향을 이해하는 것.
• 기체상 탄소 원자, 다이아몬드 상, 기공성 상 탄소 구조 사이의 압력에 의존하는 전이를 규명하는 것.
• 필름 성장 속도 및 필름 미세구조와의 관련성을 통해 캐비티 압력을 최적화된 탄소 필름 합성에 연계하는 것.
• 에너지 전달(열 및 광자)과 체류 시간을 조절하는 데서 압력의 역할을 탐색하는 것.

제안 방법

• 제어된 캐비티 압력 조건에서 핫필라멘트 반응기에서 얇고 두꺼운 탄소 필름을 증착하는 것.
• 고정된 입력 전력과 CH4 및 H2 유량을 유지하면서 캐비티 압력을 25 토르에서 105 토르로 변화시키는 것.
• 압력과 체류 시간에 따른 기판 및 필라멘트 온도를 모니터링하는 것.
• 다른 압력 조건에서 기체상 탄소 원자가 고체상 탄소 구조로의 전환 속도를 분석하는 것.
• 실험 데이터를 활용하여 압력과 필름 성장 속도 및 구조 상태(다이아몬드 대 기공성 탄소) 사이의 관련성을 규명하는 것.
• 관측된 형태적 특징을 통해 탄소 원자의 증착 동역학 및 구조적 진화를 조사하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핫필라멘트 CVD 시스템에서 캐비티 압력을 25에서 105 토르로 증가시킬 경우 탄소 필름의 성장 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기체상 탄소 원자가 다이아몬드 상 탄소로의 전환 속도가 최대가 되는 압력 범위는 무엇인가?
• RQ3 캐비티 압력은 다이아몬드 상에서 기공성 상 탄소 구조로의 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 캐비티 압력, 체류 시간, 필라멘트 및 기판의 온도 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ5 압력 변화가 필름의 형태, 특히 결정립 크기와 결정립 형성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 중간 캐비티 압력인 65 토르에서 필름 성장 속도가 크게 증가하여 증착 효율에 최적의 압력임을 시사한다.
• 65 토르에서 기체상 탄소 원자가 다이아몬드 상으로의 전환 속도가 가장 높아지며, 이로 인해 필름에 명확한 구조적 특징이 나타난다.
• 고압 캐비티 조건(65 토르 이상)에서는 탄소 원자가 기공성 상으로의 전환이 우세해지며, 이로 인해 필름 성장 속도가 감소한다.
• 형태학적 진화는 미세한 결정립, 더 큰 결정립 및 결정립과 같은 뚜렷한 특징을 보이며, 이는 캐비티 압력에 강하게 의존한다.
• 탄소 원자의 증착 동역학 및 구조적 진화는 압력에 의존하는 에너지 전달(열 및 광자)과 체류 시간에 의해 크게 영향을 받는다.
• 실험 결과는 다이아몬드에서 기공성 탄소로의 압력에 의존하는 상 전이가 명확히 드러나며, 이는 재료 설계에 중요한 함의를 지닌다.