納米金剛石薄膜的摻雜、表/界面調(diào)控及性能研究

胡曉君，鄭玉浩，陳成克，魯少華，蔣梅燕，李 曉

(浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310014)

0 引 言

金剛石具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如硬度高、熱導(dǎo)率高、禁帶寬、載流子遷移率高，使其成為繼SiC、GaN等第三代半導(dǎo)體材料之后的終極半導(dǎo)體材料，在高溫高頻高功率半導(dǎo)體器件中有廣泛的應(yīng)用前景。世界各國(guó)研究者對(duì)金剛石的生長(zhǎng)、摻雜、器件組裝等方向開(kāi)展了深入研究，以期實(shí)現(xiàn)金剛石在光電子器件方面的應(yīng)用，滿足人們對(duì)金剛石這種多功能材料的期待。然而，金剛石的禁帶寬度高達(dá)5.4 eV，其p型電導(dǎo)可通過(guò)硼摻雜實(shí)現(xiàn)，而n型電導(dǎo)的獲得十分困難。各國(guó)研究者將雜質(zhì)氮[1-2]、磷[3-4]、硫[5-6]等以替代晶格中碳原子的形式摻入到單晶或多晶金剛石中，由于雜質(zhì)的施主能級(jí)深或電離困難等原因，都沒(méi)有獲得良好的n型電導(dǎo)，極大地限制了金剛石基電子器件的研究和應(yīng)用。同時(shí)，大面積單晶金剛石難以像單晶硅片一樣大量制備，是金剛石基半導(dǎo)體器件研制的另一個(gè)難點(diǎn)。以上兩個(gè)難題表明，現(xiàn)有的半導(dǎo)體摻雜和器件研制理論難以解決金剛石的n型摻雜及器件組裝等問(wèn)題，需要尋求另外的摻雜方法和摻雜劑，甚至發(fā)展新的摻雜及器件研制原理。

與單晶和微晶金剛石相比，納米金剛石的小尺寸和高比表面積產(chǎn)生的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和表面效應(yīng)，有望提升n型摻雜潛力；同時(shí)納米金剛石薄膜容易實(shí)現(xiàn)大面積制備，即以納米金剛石薄膜為摻雜對(duì)象，可望為解決金剛石的n型摻雜和器件研制難題開(kāi)辟新的路徑。然而，通常的納米金剛石薄膜具有納米金剛石晶粒和非晶碳晶界的復(fù)合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1(a))，雜質(zhì)更容易聚集于結(jié)構(gòu)更為松弛的非晶碳晶界，難以摻雜納米金剛石晶粒；非晶碳晶界的非晶相屬性，呈跳躍式導(dǎo)電模式，限制薄膜電學(xué)性能；同時(shí)薄膜的富氫生長(zhǎng)環(huán)境使得納米金剛石晶粒表面呈氫終止態(tài)，不利于獲得n型電導(dǎo)。因此，在摻雜納米金剛石晶粒的同時(shí)，必須調(diào)控納米金剛石晶粒的表面態(tài)和非晶碳晶界結(jié)構(gòu)，才可能獲得導(dǎo)電性能良好的n型納米金剛石薄膜。本文作者近年來(lái)系統(tǒng)研究了納米金剛石晶粒的摻雜和表面態(tài)調(diào)控、非晶碳晶界的有序化轉(zhuǎn)變，制備了系列新結(jié)構(gòu)薄膜，有效提高了薄膜的n型導(dǎo)電性能，在此基礎(chǔ)上，制備了性能良好的p型納米金剛石薄膜。研究結(jié)果為發(fā)展金剛石基納米電子器件、電化學(xué)電極等提供了良好的基礎(chǔ)。各國(guó)研究者也在納米金剛石薄膜的離子注入摻雜、微結(jié)構(gòu)調(diào)控等方面開(kāi)展了系列研究，獲得了導(dǎo)電性、場(chǎng)發(fā)射性能、電化學(xué)性能良好的納米金剛石薄膜。本文對(duì)納米金剛石薄膜摻雜及性能的國(guó)內(nèi)外研究情況進(jìn)行了綜述，希望對(duì)本領(lǐng)域的研究者有所幫助。

1 化學(xué)氣相沉積制備n型納米金剛石薄膜

最早關(guān)于n型納米金剛石薄膜的報(bào)道發(fā)表于2000年左右，氮作為有利于獲得納米金剛石薄膜微結(jié)構(gòu)的原料氣在化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)過(guò)程中被摻入薄膜中。氮是單晶金剛石中的深能級(jí)雜質(zhì)(激活能約1.7 eV)，室溫下能提供的電子很少。并且氮主要位于納米金剛石薄膜的晶界中，難以進(jìn)入金剛石晶粒，即未實(shí)現(xiàn)金剛石晶粒的摻雜。高達(dá)1020～1021cm-3的電子濃度產(chǎn)生了高電導(dǎo)率，相比之下其遷移率較低(1.5 cm2·V-1·s-1)[7-8]。

Brirell等[9]通過(guò)拉曼光譜、NEXAFS、二次離子質(zhì)譜等表征手段研究了氮摻雜超納米金剛石(ultra nanocrystalline diamond, UNCD)薄膜的鍵合結(jié)構(gòu)，隨著氮含量的增加，sp2碳的比例從7%上升至14%，晶界的比例進(jìn)一步上升，這與氮優(yōu)先進(jìn)入晶界的結(jié)果一致。但NEXAFS的結(jié)果表明，摻氮UNCD晶界仍以σ鍵為主。Dai等[10]利用DFT方法的團(tuán)簇模型對(duì)金剛石進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)果表明N-V(氮-空位)配合物可能發(fā)揮淺供體的作用，而N-DB(氮懸掛鍵)配合物作為補(bǔ)償中心，并提出了基于非晶態(tài)半導(dǎo)體理論的氮摻雜UNCD隨溫度變化的3個(gè)機(jī)制，很好地解釋了電導(dǎo)率隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Williams[11]認(rèn)為這種電導(dǎo)率不是由于摻雜，而是由于氮等離子體在CVD生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)材料的納米結(jié)構(gòu)調(diào)控，導(dǎo)致了sp2碳比例提高以及帶隙中間態(tài)的增強(qiáng)。同樣地，這導(dǎo)致了低遷移率的跳躍型傳導(dǎo)過(guò)程和雜質(zhì)帶傳導(dǎo)，具有非常高的載流子濃度和低的遷移率。Michelle等[12]研究了總壓力和微波功率對(duì)氮摻雜UNCD導(dǎo)電性的影響，通過(guò)X射線衍射分析和拉曼光譜表明MPCVD生長(zhǎng)的氮摻雜UNCD薄膜中并無(wú)石墨相的存在，這意味著薄膜中sp2碳鍵很有可能來(lái)源于納米金剛石晶粒扭轉(zhuǎn)晶界、傾斜晶界或表面處。

2 離子注入納米金剛石薄膜的電學(xué)性能研究

2.1 離子注入制備n型納米金剛石薄膜

為了解決CVD過(guò)程中雜質(zhì)難以進(jìn)入晶粒的問(wèn)題，作者率先提出離子注入方法摻雜納米金剛石薄膜，以將雜質(zhì)直接注入到晶粒中，提高納米金剛石晶粒的導(dǎo)電能力，從而提升薄膜的整體導(dǎo)電性能?；谠撗芯克悸?，氧離子(1×1014cm-2、1×1015cm-2)、磷離子(1×1015cm-2)分別被注入到納米金剛石薄膜中[13-14]，并在薄膜的退火過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了非晶碳晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸南嘧儸F(xiàn)象(如圖1(b)和1(c)所示，900 ℃退火處理后，金剛石顆粒較未退火明顯增大，非晶碳晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?，非晶碳含量降低，減弱了其對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的散射作用，薄膜的電子遷移率提升，最高達(dá)到143 cm2·V-1·s-1，較氮摻雜納米金剛石薄膜[7]提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，證明磷或氧離子注入與退火能有效提高納米金剛石薄膜的導(dǎo)電能力。Das等[15]借鑒本團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)磷離子注入與高溫退火的方式，成功制備得到了高電導(dǎo)率(104S/m)的UNCD薄膜，并通過(guò)非線性霍爾效應(yīng)揭示了存在于薄膜中的兩種傳導(dǎo)方式，即雜質(zhì)傳導(dǎo)與跳躍電導(dǎo)，也證實(shí)了磷摻入晶格中[15]。Lin等[16]系統(tǒng)地研究了P離子注入和退火工藝導(dǎo)致的UNCD薄膜的微觀結(jié)構(gòu)演變。當(dāng)UNCD薄膜注入足夠劑量(>1×1014ions/cm2)的磷離子并隨后在 800 ℃下退火30 min時(shí)，薄膜的電阻率顯著降低。P離子主要改變了UNCD薄膜表面300 nm之下的離子注入?yún)^(qū)域的顆粒結(jié)構(gòu)，在此區(qū)域內(nèi)，金剛石晶粒發(fā)生聚結(jié)，納米石墨簇被誘導(dǎo)，形成相互連接的石墨絲，導(dǎo)致表面電阻降低。

圖1 (a)傳統(tǒng)納米金剛石薄膜;(b)氧離子注入納米金剛石薄膜的HRTEM照片；(c)900 ℃退火的氧離子注入納米金剛石薄膜的HRTEM照片[14]Fig.1 (a) Conventional nano diamond film; (b) HRTEM image of oxygen ion implanted nanodiamond films; (c) HRTEM image of oxygen ion implanted nanodiamond films annealed at 900 ℃[14]

2.2 金屬離子注入提升納米金剛石薄膜的電學(xué)性能及場(chǎng)發(fā)射性能

林諭男教授在過(guò)去20年中對(duì)UNCD領(lǐng)域作出了巨大貢獻(xiàn)。林教授團(tuán)隊(duì)先后通過(guò)離子注入[17-18]、等離子體處理[19-20]等方式調(diào)控薄膜的成分與微結(jié)構(gòu)，得到了良好場(chǎng)發(fā)射性能(EFE)、低電阻率的UNCD薄膜。結(jié)果表明，金屬離子Au[21](見(jiàn)圖2)、Ag[22]、Pt[23]等通過(guò)離子注入及退火在UNCD薄膜中誘導(dǎo)了豐富的納米石墨相，以此提高了薄膜的導(dǎo)電性和電子場(chǎng)發(fā)射性能。太原理工大學(xué)Shen等[24]研究了Cu離子注入和500 ℃

下的快速退火對(duì)UNCD薄膜的表面形態(tài)和電子場(chǎng)發(fā)射性能的影響。拉曼、XPS和TEM結(jié)果表明，在 UNCD 薄膜中形成Cu納米顆?？梢栽诳焖偻嘶疬^(guò)程中催化大量納米石墨相的形成，形成電子傳輸?shù)膫鲗?dǎo)通道。同時(shí)，金剛石與銅的功函數(shù)之間的差異(φCu=4.6 eV，φdiamond=5.5 eV)使Cu納米顆粒和金剛石的界面之間存在接觸電位差。銅為金剛石晶粒提供足夠多的電子，使薄膜的導(dǎo)電性變好。

綜上，金屬離子注入U(xiǎn)NCD薄膜能提高薄膜導(dǎo)電性主要有兩個(gè)因素：(1)金屬粒子在退火的UNCD薄膜中誘導(dǎo)了豐富的納米石墨相；(2)富含載流子的金屬納米粒子可以充當(dāng)“導(dǎo)電島”并有助于電荷載流子傳輸。

2.3 低劑量離子注入和晶粒表面氧終止態(tài)獲得高遷移率n型電導(dǎo)

由于納米金剛石薄膜中的金剛石晶粒尺寸在納米量級(jí)，采用與普通半導(dǎo)體材料相同劑量的離子注入，勢(shì)必會(huì)對(duì)晶粒造成較大的損傷，影響其電學(xué)性能。因此，作者團(tuán)隊(duì)提出在NCD薄膜中注入低劑量離子，以提高晶粒的完整性，進(jìn)而提高薄膜的電學(xué)性能。在NCD薄膜中注入了劑量為1×1012cm-2的氧離子，然后對(duì)薄膜進(jìn)行700～1 000 ℃的退火處理。結(jié)果表明，薄膜在800 ℃退火后，導(dǎo)電類型由p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚型，并且在900 ℃退火后，納米金剛石晶粒明顯長(zhǎng)大，遷移率提高到303 cm2·V-1·s-1，電導(dǎo)率也大幅提高。這說(shuō)明低劑量離子注入提高了薄膜的電學(xué)性能，并在薄膜中再次觀察到了非晶碳晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸南嘧儸F(xiàn)象[25]。進(jìn)一步地，采用阻抗譜和XPS(見(jiàn)圖3(a)、(b))研究了薄膜在不同溫度下導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變的原因，發(fā)現(xiàn)薄膜在800 ℃以上溫度退火后，金剛石晶粒終止態(tài)由氫終止轉(zhuǎn)變?yōu)檠踅K止，使得薄膜的導(dǎo)電類型發(fā)生了轉(zhuǎn)變[26]。對(duì)金剛石表面氧化后的結(jié)構(gòu)和性能的密度泛函理論計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖3(c))也證實(shí)了這一觀點(diǎn)，即甲氧基丙酮結(jié)構(gòu)的氧終止表面態(tài)未處于帶隙中，即氧表面態(tài)不作為載流子陷阱捕獲電子，與氧摻入晶格作為施主協(xié)同作用，有利于金剛石的n型電導(dǎo)[27]。該系列結(jié)果表明納米金剛石晶粒的小劑量離子注入摻雜和氧終止態(tài)有利于提升薄膜的n型電導(dǎo)。

圖3 (a)氧離子注入的納米金剛石薄膜的特征Cole-Cole圖；(b)氧離子注入納米金剛石薄膜的XPS擬合圖，通過(guò)阻抗譜與XPS的協(xié)同表征，發(fā)現(xiàn)金剛石晶粒的氧終止態(tài)[26]；(c)甲氧基丙酮表面結(jié)構(gòu)的示意圖以及密度泛函理論計(jì)算得到相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)，其表面態(tài)未處于帶隙中，這對(duì)實(shí)現(xiàn)n型電導(dǎo)是有利的[27]Fig.3 (a) Characteristic Cole-Cole plot of characteristics of nanodiamond films implanted with oxygen ions; (b) XPS fitting diagrams of oxygen ion implanted nanodiamond films, and the oxygen termination states of diamond grains were found through the cooperative characterization of impedance spectroscopy and XPS[26]; (c) schematic diagram of the surface structure of methoxy acetone and the corresponding band structure calculated by density functional theory show that the surface state of methoxy acetone is not in the band gap, which is beneficial to the realization of n-type conductance[27]

3 納米金剛石/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其對(duì)電學(xué)、電化學(xué)性能的影響

除了對(duì)納米金剛石晶粒的摻雜和表面態(tài)進(jìn)行調(diào)控外，研究人員發(fā)現(xiàn)薄膜中的非晶碳晶界在不同溫度的退火下，結(jié)構(gòu)發(fā)生了豐富的變化。在上述900 ℃退火的薄膜晶界中發(fā)現(xiàn)了石墨烯納米帶，結(jié)合Raman光譜和TEM數(shù)據(jù)，可知該石墨烯納米帶由薄膜晶界中的反式聚乙炔轉(zhuǎn)變而來(lái)，理論計(jì)算也證實(shí)了這一點(diǎn)[25]。與之前研究不同的是，該研究首次獲得了納米金剛石晶粒和石墨烯納米帶復(fù)合薄膜，薄膜中的石墨烯納米帶為導(dǎo)電提供了通道，有利于提高薄膜的電導(dǎo)率和遷移率(見(jiàn)圖4(a)、(b))。在對(duì)薄膜進(jìn)行不同溫度退火的過(guò)程中，非晶碳晶界發(fā)生了不同程度的有序化，這種有序化形成納米石墨或有序拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，有效提升薄膜的電導(dǎo)率以及場(chǎng)發(fā)射性能(見(jiàn)圖4(c))[28-29]。

基于晶界的石墨烯化對(duì)薄膜電學(xué)性能的影響，本課題組通過(guò)調(diào)控工藝條件，制備了不同石墨烯含量的納米金剛石/石墨烯復(fù)合薄膜(見(jiàn)圖4(d)、(e))，這對(duì)調(diào)控納米金剛石/石墨烯復(fù)合薄膜的電化學(xué)性能有重要的影響[30]。將石墨烯片豎立生長(zhǎng)于單個(gè)顆粒的納米金剛石薄膜表面(見(jiàn)圖4(f))，有效提升了其氧還原反應(yīng)(oxygen reduction reaction, ORR)性能[31]。進(jìn)一步地，本課題組在單個(gè)顆粒的納米金剛石薄膜表面進(jìn)行了短時(shí)生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)了納米金剛石-豎立石墨烯循環(huán)往復(fù)生長(zhǎng)的現(xiàn)象，并揭示了化學(xué)氣相沉積過(guò)程中金剛石的形成是由石墨在低壓下的相變而成，并非傳統(tǒng)觀念中認(rèn)為金剛石結(jié)構(gòu)是由碳原子直接堆積形成，氣氛中的氫、氧和單分散鉭原子在低壓石墨/金剛石相變中起關(guān)鍵作用。該結(jié)果為基于石墨在常壓下制備大面積金剛石提供了理論基礎(chǔ)，也為理解其他具有 sp2和 sp3電子構(gòu)型的材料的生長(zhǎng)機(jī)制提供了一個(gè)新角度[32]。

圖4 (a)、(b)UNCD 薄膜在典型退火工藝下的微觀結(jié)構(gòu)演變[25];(c)晶界在退火過(guò)程中形成納米石墨的HRTEM照片[29]；(d)較高和(e)較低石墨烯含量的納米金剛石/石墨烯復(fù)合薄膜的HRTEM照片[30];(f)豎立石墨烯生長(zhǎng)于納米金剛石顆粒表面的SEM照片[31]Fig.4 (a), (b) Microstructure evolution of UNCD films under typical annealing process[25]; (c) HRTEM image of nanocrystalline graphite formed at grain boundary during annealing[29]; HRTEM images of nanodiamond/graphene composite films with (d) high content and (e) low content of graphene[30]; (f) SEM image of erect graphene grown on the surface of nanodiamond particles[31]

俄羅斯科學(xué)院Yolshina團(tuán)隊(duì)[33]在空氣氣氛、熔融堿金屬氯化物層下，利用固體有機(jī)前驅(qū)體和熔融金屬鋅催化劑相互作用，合成了自支撐高分級(jí)結(jié)構(gòu)的石墨烯-納米金剛石復(fù)合薄膜。根據(jù)俄歇光譜研究的結(jié)果，得到的復(fù)合薄膜由sp2和sp3雜化的碳以1∶1的比例組成(見(jiàn)圖5)。該研究拓寬了石墨烯/金剛石復(fù)合薄膜的制備方式，對(duì)復(fù)合碳材料應(yīng)用于電極、摩擦、催化等領(lǐng)域有著重要的指導(dǎo)意義。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的研究人員[34]通過(guò)MPCVD制備金剛石/石墨納米片薄膜。以二維尺度下金剛石納米片為主體，以高導(dǎo)電石墨層為殼的金剛石/石墨納米片結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性，顯著增強(qiáng)了電化學(xué)反應(yīng)中的電子傳輸，可很好地應(yīng)用于靈敏檢測(cè)痕量重金屬離子(見(jiàn)圖6)。

圖5 自支撐高分級(jí)結(jié)構(gòu)的石墨烯-納米金剛石復(fù)合薄膜的SEM照片(a)及其XPS光譜(b)[33]Fig.5 SEM image (a) and XPS spectra (b) of self-supported graphene-nanodiamond composite films high hierarchical structure[33]

圖6 金剛石/石墨納米片薄膜的低倍SEM照片(a)與TEM照片(b);(c)該薄膜的拉曼圖譜；差分脈沖陽(yáng)極溶出(d)和相應(yīng)的校準(zhǔn)圖(e),在金剛石/石墨烯納米片膜電極上同時(shí)分析Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)[34]Fig.6 Low-magnification SEM (a) and TEM (b) images of diamond/graphite nanoplatelets films; (c) Raman spectrum of this film; differential pulse anodic stripping voltammetry (d) and corresponding calibration plots (e) for simultaneous analysis of Zn (Ⅱ), Cd (Ⅱ), Pb (Ⅱ) and Cu (Ⅱ) obtained on a diamond/graphite nanoplatelets film electrode[34]

4 硼摻雜納米金剛石薄膜的電學(xué)及電化學(xué)性能研究

在獲得良好n型納米金剛石薄膜的基礎(chǔ)上，p型納米金剛石薄膜的制備對(duì)于納米金剛石基pn結(jié)原型器件的研制同樣重要。在納米金剛石薄膜中摻雜硼，可以獲得p型電導(dǎo)，當(dāng)硼摻雜濃度達(dá)到一定值時(shí)，可以觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象[35]。硼摻雜納米金剛石薄膜一般通過(guò)CVD過(guò)程中摻雜獲得，由于NCD薄膜中存在非晶碳晶界，其無(wú)序態(tài)特性使得硼原子更可能位于晶界位置，而晶粒中的硼原子較少，限制了其p型電導(dǎo)以及空穴遷移率。為了使更多的硼原子進(jìn)入晶粒中，更好發(fā)揮晶粒的電學(xué)性能，對(duì)薄膜進(jìn)行了不同溫度的退火處理[36]。結(jié)果表明，在900～1 000 ℃的退火過(guò)程中，薄膜中晶粒尺寸變大，導(dǎo)電性能變好(由223.5 Ω/cm2提升至132.2 Ω/cm2，遷移率由0.13～2.11 cm2·V-1·s-1提升至53.3 cm2·V-1·s-1)，很顯然薄膜中發(fā)生了非晶碳晶界轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸南嘧儯@與第2小節(jié)中磷或氧離子注入納米金剛石薄膜退火處理后金剛石晶粒變大的結(jié)果一致。這一相變過(guò)程將處于非晶碳晶界中的硼原子轉(zhuǎn)移到晶粒中，提高了晶粒的導(dǎo)電性能和薄膜的電學(xué)性能。本課題組最近的研究表明，該相變是由薄膜晶界中的單分散鉭原子引起的[37]?？梢詫⑦@一現(xiàn)象稱為相變摻雜[36](見(jiàn)圖7(a)、(b))。

Ryl等[39]研究了重硼摻雜金剛石電極的高溫氧化行為以及微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)行為的演變。他們認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間的高溫可能會(huì)導(dǎo)致硼摻雜金剛石電極的永久改性，即長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理不僅會(huì)導(dǎo)致表面氧化，還會(huì)導(dǎo)致蝕刻坑形式的不可逆結(jié)構(gòu)缺陷。即使是隨后電極在等離子體中再氫化也不足以逆轉(zhuǎn)這種表面氧化，這種過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的氧化往往是對(duì)電化學(xué)性能不利的。中南大學(xué)Miao等[40]在泡沫Cu/W表面制備了三維BDD薄膜電極，由于BDD熱失重現(xiàn)象使其在熱處理過(guò)程中形成錐形結(jié)構(gòu)，得到了BDD混合宏觀微觀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有較高的電化學(xué)活性表面積，是二維平面 BDD 結(jié)構(gòu)的7.9倍，為設(shè)計(jì)電化學(xué)反應(yīng)器提供新的實(shí)施方法(見(jiàn)圖8)。Xu等[41]通過(guò)等離子體電解氧化技術(shù)(PEO)預(yù)處理的鈦板上合成了多孔碳化鈦(TiC)/BDD復(fù)合電極。在PEO工藝過(guò)程中形成的多孔和納米厚的TiO2層防止了脆性鈦氫化物的形成，并在化學(xué)氣相沉積工藝中增強(qiáng)了BDD的生長(zhǎng)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了TiO2原位轉(zhuǎn)化為T(mén)iC。構(gòu)建的超級(jí)電容器的性能優(yōu)于大多數(shù)可用的超級(jí)電容器和一些電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，該研究提供了一種設(shè)計(jì)和合成新電容器電極的方法。BDD電極在改善環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等許多領(lǐng)域具有巨大的潛力。

圖8 泡沫Cu/W表面制備三維摻硼金剛石電極[39]Fig.8 Preparation of 3D boron-doped diamond electrode on foamed Cu/W surface[39]

5 結(jié)語(yǔ)與展望

本文系統(tǒng)綜述了本課題組及國(guó)內(nèi)外研究者近年來(lái)在納米金剛石薄膜的摻雜、表界面調(diào)控、電學(xué)、場(chǎng)發(fā)射及電化學(xué)性能等方面的工作，發(fā)現(xiàn)晶粒摻雜、表面態(tài)及表界面結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜的性能有重要影響，當(dāng)前研究結(jié)果為進(jìn)一步提升納米金剛石薄膜的電學(xué)性能、場(chǎng)發(fā)射性能及電化學(xué)性能提供了基礎(chǔ)，為納米金剛石薄膜在納米電子器件、電化學(xué)電極等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論支撐。其中，納米金剛石薄膜的n型摻雜及器件研制，依然是難度最高、應(yīng)用價(jià)值最大的問(wèn)題，對(duì)這方面開(kāi)展持續(xù)的研究，可望發(fā)展出適合于金剛石的摻雜方法和器件組裝路徑，形成新理論體系和研究范式，也為解決其他寬禁帶半導(dǎo)體材料的制備、摻雜和器件組裝提供借鑒，具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際意義。