[論文レビュー] 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)|Apr 25, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 53被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、マイクロ波プラズマCVDにおける電子ビームダイナミクスが、超ナノ結晶炭素（UNCD）およびナノ結晶炭素（NCD）膜の構造的進化を支配し、2次元の楕円形および1次元のグレーティング状構造という明確な原子配置を形成する相転移を引き起こすことを明らかにした。これらの構造的変化はラマン分光特性と直接相関しており、v1ピークはグレーティング状の結晶に起因し、D*バンドは2次元の楕円形に起因する。フィールド発光特性はグレーティング形態に駆動される。

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.

研究の動機と目的

• 超ナノ結晶炭素およびナノ結晶炭素膜におけるv1ラマンピークの起源を調査すること。
• マイクロ波プラズマCVD中の電子ビームダイナミクスが、小さなダイヤモンド結晶の原子構造形成に与える影響を理解すること。
• 観察された構造的形態をラマン分光的特徴およびフィールド発光特性と関連付けること。
• 高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）を用いて、UNCDおよびNCD膜における構造的変化を検証すること。

提案手法

• UNCDおよびNCD膜におけるv1およびD*バンドに焦点を当て、振動モードを分析するためのラマン分光測定を実施した。
• 電子発光行動とナノ構造形態との相関を調べるため、電子場発光測定を実施した。
• 小さなダイヤモンド結晶内の原子配列を直接可視化するため、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）を用いた。
• 電子ビームの流れの方向が、2次元および1次元の配置における原子の引き伸ばしと構造の異方性に与える影響を分析した。
• 電子ビーム照射下で、原子構造が楕円形の2次元形態からグレーティング状の1次元形状へと変化する過程をマッピングした。
• 高歪み結晶の電子的表面における光子の伝播が、周期的グレーティング状構造の形成を誘発し、それがスペクトロスコピックに識別可能なv1ピークとして現れることを関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超ナノ結晶炭素およびナノ結晶炭素膜におけるv1ラマンピークの原因は何か？
• RQ2 プラズマCVD中の電子ビームダイナミクスが、小さなダイヤモンド結晶の原子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 UNCDおよびNCD膜にグレーティング状形態が形成される構造的転移は何か？
• RQ4 フィールド発光特性は、ナノ構造ダイヤモンド結晶の形態とどのように関連しているか？
• RQ5 原子の引き伸ばし方向が、ダイヤモンド結晶の2次元または1次元構造を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• v1ラマンピークは、電子ビーム照射下での均一な原子引き伸ばしにより、1次元のグレーティング状構造をとる小さなダイヤモンド結晶に起因する。
• D*ラマンバンドは、均一でない引き伸ばし領域で形成される2次元の楕円形原子配置に関連している。
• UNCDおよびNCD膜におけるフィールド発光特性は、電子ビーム誘起の原子整列によって生じるグレーティング状ナノ構造の存在と直接関連している。
• 高分解能透過型電子顕微鏡により、2種類の明確な構造形態が存在することが確認された：楕円形の2次元結晶と1次元のグレーティング状結晶。
• マイクロ波プラズマCVD中の電子ビームダイナミクスが、原子の異方的引き伸ばしを引き起こし、方位依存の電子的および構造的特性を決定づける。
• 高歪み結晶の電子的表面における光子の伝播が、周期的グレーティング状構造の形成を誘発し、それがスペクトロスコピックに識別可能なv1ピークとして現れる。