[论文解读] Etching of Photon Energy into Binding Energy in Depositing Carbon Films at Different Chamber Pressures

Mubarak Ali|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 8

一句话总结

本研究探讨了热丝化学气相沉积（HFCVD）中腔室压力如何影响气态碳原子转化为金刚石和石墨相的过程。通过分析原子氢将光子能量蚀刻为结合能的过程，研究发现，当压力从3.3 kPa增加到8.6 kPa时，薄膜生长和金刚石形成均增强；而当压力超过11.3 kPa时，石墨相占主导，原子氢在塑造决定相形成方向的能量片段中起关键作用。

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.

研究动机与目标

• 理解腔室压力对热丝CVD中碳薄膜沉积的影响。
• 探究原子氢在将光子能量转化为结合能以实现相控制中的作用。
• 将生长速率、形貌与结构相（金刚石与石墨）关联到不同腔室压力下的表现。
• 建立一种新型机制，连接气体活化、碰撞过程与碳薄膜合成中的能量片段塑造。

提出的方法

• 采用热丝化学气相沉积（HFCVD）在3.3 kPa至14 kPa的腔室压力范围内沉积碳薄膜。
• 使用甲烷作为碳前驱体，在热丝存在下解离为气态碳原子。
• 分析由分子氢解离产生的原子氢在将光子能量蚀刻为结构化能量片段中的作用。
• 评估气体活化与碰撞过程在不同压力范围对相形成的影响。
• 将沉积薄膜的形貌与结构与生长速率及压力条件相关联。
• 本研究提出一种新概念框架，即光子-原子氢相互作用产生的能量片段引导碳原子结合为金刚石或石墨状态。

实验结果

研究问题

• RQ1 增加腔室压力如何影响HFCVD中碳薄膜的生长速率与相组成？
• RQ2 原子氢在将光子能量转化为碳相形成的结合能中起什么作用？
• RQ3 为何在较高压力（11.3 kPa及以上）时，金刚石相向石墨相发生主导转变？
• RQ4 气体活化与碰撞动力学如何随腔室压力变化，进而影响薄膜结构？
• RQ5 ‘形状化能量片段’通过何种机制决定碳原子结合为金刚石或石墨相？

主要发现

• 碳薄膜的生长速率在3.3 kPa至8.6 kPa的腔室压力范围内增加，表明沉积动力学增强。
• 在11.3 kPa和14 kPa时，气态碳原子转化为石墨态原子的速率显著提高，表明存在相变点。
• 发现原子氢可蚀刻热丝释放的光子，生成‘形状各异的能量片段’，引导碳相形成。
• 特定能量片段构型促进金刚石相结合，而石墨相结合则需要截然不同、不重叠的能量条件。
• 在3.3 kPa至8.6 kPa之间，气态碳原子转化为金刚石态原子的速率显著提升。
• 本研究提出一种新机制：原子氢对能量片段的塑造决定了碳薄膜沉积的结构结果。