Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы. Методики плазмохимического осаждения аллотропных форм углерода.
1.1. Введение. Стр.10
1.2. Осаждение углеродных пленок из плазмы СВЧ разряда. Стр.11
1.3. Осаждение углеродных пленок из плазмы ВЧ разряда . Стр.17
1.4. Осаждение углеродных пленок из плазмы разряда постоянного тока. Стр.19
1.5. Осаждение углеродных пленок методом горячей нити. Стр.21
ГЛАВА II. Разработка методики создания центров нуклеации («посева») с использованием комбинированной ВЧ/СВЧ плазмы .
2.1. Введение. Стр.24
2.2. Экспериментальная установка . Стр.26
2.3. Исследование морфологии «посева». Стр.29
ГЛАВА III. Плазмохимический синтез нанокристаллического графита в разряде постоянного тока .
3.1. Введение. Стр.33
3.2. Экспериментальная установка. Стр.36
3.3. Исследование механизмов роста нанокристаллического графита на поверхности кремния . Стр.39
3.3.1.Исследование начальной стадии нуклеации НКГ пленки. Стр.41
3.3.2.Исследование механизмов зарождения микроребер. Стр.43
3.3.3.Исследование механизмов роста нитевидных структур в виде нанотрубок и нанолент. Стр.48
ГЛАВА IV. Исследование свойств пленок нанокристаллического графита .
4.1. Введение. Стр.55
4.2. Исследование сильноточных автоэмиссионных свойств нанокристаллического графита. Стр.55
4.3. Суперконденсаторы на основе нанокристаллического графита. Стр.64
ГЛАВА V. Плазмохимический синтез поликристаллического алмаза в СВЧ разряде .
5.1. Введение. Стр.74
5.2. Экспериментальная установка. Стр.75
5.3. Система регистрации оптических эмиссионных спектров СВЧ плазмы . Стр.79
5.4. Исследование поликристаллических алмазных пленок, легированных бором, методами спектроскопии рамановского рассеяния и спектроскопии оптического поглощения. Стр.80
5.5 Исследование корреляции между оптическими эмиссионными спектрами СВЧ плазмы и структурными свойствами поликристаллических алмазных пленок, легированных бором. Стр.88
Выводы. Стр.94
Благодарности. Стр.96
Литература. Стр.97
- Осаждение углеродных пленок из плазмы ВЧ разряда
- Экспериментальная установка
- Исследование механизмов роста нанокристаллического графита на поверхности кремния
- Система регистрации оптических эмиссионных спектров СВЧ плазмы
Введение к работе
В последнее время углеродные наноматериалы являются объектом пристального изучения со стороны исследователей. Вызвано это тем, что наноструктуры обладают рядом уникальных свойств, связанных с размерными эффектами и лежащих в основе ряда приложений электроники. При этом из всего множества форм углеродных наноразмерных структур можно выделить две наиболее перспективные с точки зрения практического применения - это нанотрубки и графен.
Так, в 1998 году впервые продемонстрировано создание полевого транзистора на основе единичной нанотрубки с полупроводниковой проводимостью [1]. Позже было показано, что на основе нанотрубок могут быть созданы химические сенсоры [2], диоды Шоттки [3], электромеханические переключатели [4], оптоэлектрические преобразователи [5], и даже было продемонстрировано создание радиопередатчика с использованием отдельно взятой нанотрубки [6].
В 2004 году впервые были экспериментально получены отдельные плоскости мультислойного графена [7]. С тех пор было опубликовано множество работ, посвященных разработке различных приложений на основе данного материала. Например, было продемонстрировано создание фотодетекторов [8], биосенсоров [9], использование графена для создания прозрачных электродов в солнечных элементах [10] и т.д.
Однако большинство приложений, основанных на использовании единичных наноразмерных углеродных структур, несмотря на уникальность результатов, не выходят за рамки лабораторий. Связано это с тем, что на сегодня не существует эффективных технологий, позволяющих, с одной стороны, вести массовое производство таких приложений, а с другой -снизить себестоимость продукта до уровня, коррелирующего с покупательской способностью. Поэтому наиболее перспективными направлениями применения углеродных наноструктур с точки зрения
эффективного производства пока остаются те, которые основаны на использовании тонких пленок, состоящих из множества единичных структур, таких как нанотрубки и/или плоскости граф єна. При этом можно выделить два направления, в которых достигнуты наибольшие успехи в разработке практически используемых приложений, - это вакуумная электроника и электрохимическая энергетика.
В основе разработки электровакуумных приборов лежит использование автоэмиссионных свойств наноструктурных углеродных пленок и в частности тех, которые образованы нанотрубками. Так, высокое аспектное отношение, высокая электронная проводимость, а также сравнительно низкая работа выхода нанотрубок позволяют создавать тонкопленочные автокатоды, используемые, например, при создании миниатюрных микрофокусных рентгеновских трубок [11], компактных СВЧ-усилителей [12]. Активно ведутся исследования по разработке дисплеев с использованием автокатодов (FED) [13]. Для повышения эффективности работы электровакуумных приборов углеродные пленки должны обладать однородными автоэмиссионными свойствами, хорошей адгезией к подложке, а также способностью пропускать высокие токи. Кроме того, увеличение срока эксплуатации прибора связано напрямую с уменьшением степени деградации автокатода в результате протекания токов.
Развитие энергетики, а также высокотехнологичных секторов экономики во второй половине 20-го века привели к поиску эффективных, безопасных и экологически чистых источников энергии. Особый интерес в этой области представляют химические источники тока, обладающие высокой динамикой, т.е. способные быстро отдать/накопить электрическую энергию. Связано это с целым рядом приложений, таких как гибридные двигатели, миниатюрные высокочастотные устройства, системы бесперебойного электропитания [14]. Сравнительная характеристика динамических свойств химических источников тока показывает, что элементами с наибольшей динамикой являются, т.н. суперконденсаторы [15].
Сегодня при создании их электродов в качестве активного материала используется активированный уголь. При этом одной из основных задач электрохимической энергетики является повышение эффективности существующих суперконденсаторов. Решение этой задачи связано с поиском новых углеродных материалов, обладающих большей удельной электрохимической емкостью, а также низким сопротивлением по сравнению с традиционно используемым активированным углем. В последнее время большое внимание уделяется исследованиям, связанным с применением в электрохимии пленок, состоящих из нанотрубок и/или графеновых плоскостей. Вызвано это тем, что подобного рода пленки способны эффективно сочетать высокую проводимость с высокой удельной площадью поверхности, а также пористостью [16]. Это способствует созданию высокоэффективных суперконденсаторов. В результате такие материалы сегодня рассматриваются как кандидаты на замещение активированного угля.
Отдельно стоящей аллотропной формой углерода, также имеющей перспективу широкого практического использования, является алмаз. Так, поликристаллические алмазные пленки нашли свое применение в биологии в качестве материала для биосенсоров [17]; на основе эпитаксиально синтезированных пленок создаются дозиметры [18]; высокое значение ширины запрещенной зоны (~5 эВ) позволило создать солнечно-слепые УФ детекторы [19]; сетки, сформированные проводящим поликристаллическим алмазом, могут использоваться в электронных пушках [20]; на основе проводящих поликристаллических алмазных пленок могут быть созданы умножители-концентраторы электронов [21].
Однако при рассмотрении перспектив использования углеродных нано-и микроструктурных пленок крайне важным становится вопрос о выборе методики их получения. При этом можно выделить несколько критериев, предъявляемых к методу:
однородность рассматриваемых свойств синтезируемой пленки по всей ее поверхности;
повторяемость результатов;
гибкость по отношению к изменению и контролю экспериментальных параметров;
относительно низкая стоимость производства.
Всем этим критериям удовлетворяют методы, основанные на осаждении пленок из углеродосодержащей плазмы. При этом конечные свойства углеродных пленок во многом будут определяться процессами, протекающими в плазме в ходе их синтеза. Более того, плазмохимические методы осаждения являются эффективным способом получения синтетических поли- и монокристаллических (эпитаксиально выращенных) алмазных пленок.
Целью работы является: получение нано- и микро структурных углеродных пленок с использованием методик плазмохимического осаждения и исследование их автоэмиссионных, электрохимических, а также оптических свойств. В рамках работы использован метод плазмохимического осаждения в разряде постоянного тока для синтеза пленок нанокристаллического графита, состоящих из нормально ориентированных к подложке графеновых плоскостей и нанотрубок. Кроме того, предложена новая методика создания центров нуклеации пленок нанокристаллического графита, основанная на использовании плазмохимической обработки поверхности в комбинированном ВЧ/СВЧ разряде. В результате исследований показано, что выбранные плазмохимические методы позволяют получать нано структурный материал с уникальными свойствами, делающими его перспективным для реализации приложений вакуумной электроники и электрохимической энергетики. Также методами рамановской спектроскопии и спектроскопии оптического поглощения исследованы поликристаллические алмазные пленки, легированные бором. Синтез пленок проводился методом плазмохимического осаждения в СВЧ разряде. Показано, что степень легирования алмазных пленок бором можно контролировать на стадии их роста посредством получения информации об оптических эмиссионных
спектрах СВЧ плазмы in situ.
Вся работа состоит из пяти глав, а также введения, заключения, где сформулированы основные выводы диссертации, и списка литературы. Так, Глава I посвящена описанию плазмохимических методов, используемых для синтеза углеродных нано- и микроструктурных пленок.
В Главе II демонстрируется новая методика создания центров нуклеации для последующего синтеза пленок нанокристаллического графита на поверхности монокристаллического кремния. Метод основан на взаимодействии плазмы комбинированного ВЧ/СВЧ разряда с поверхностью монокристаллического кремния. Преимуществами метода являются однородность распределения центров нуклеации, а также гибкость в изменении параметров эксперимента, влияющих на конечный результат. Используя методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а так же рамановской спектроскопии в работе детально исследуются структурные свойства и морфология поверхности после плазмохимической обработки.
Осаждение углеродных пленок из плазмы ВЧ разряда
Как правило, использование ВЧ разряда для синтеза алмазных пленок не является распространенным методом. Связано это с тем, что характерные значения давлений в процессе синтеза имеют порядок 10"1 Тор, что не обеспечивает требуемой плотности плазмы для эффективного роста алмазных пленок. Поэтому более пригодным для решения данной задачи является использование СВЧ разряда, для которого рабочие давления имеют порядок 10" Тор, а скорости роста могут достигать 50-100 мкм/ч [40]. С другой стороны, индуктивный ВЧ разряд может успешно применяться для синтеза графеновых микроребер с шириной, высотой и толщиной 0.5 мкм, 1 мкм и 1-10 нм соответственно, т.к. их скорость роста выше скорости роста алмаза. Так, например, в работе [41] показано, что использование индуктивного ВЧ разряда позволяет получать микроребра со скоростью роста примерно 4 мкм/ч. При этом можно выделить одно преимущество использования ВЧ разряда. Размер плазмы, а, следовательно, и площадь подложки, на которой равномерно происходит осаждение углеродных структур, пропорциональны длине волны излучения. Поэтому использование ВЧ разряда (у = 13.56 МГц, А, 22 м) позволяет равномерно покрывать углеродной пленкой подложки с большей площадью. Традиционная схема, используемая для получения микроребер из плазмы индуктивного ВЧ разряда, представлена на рис. 1.4. Подложка, на которой предполагается синтезировать микроребра, размещается на нагреваемом подложкодержателе. ВЧ излучение (у = 13.56 МГц) от индуктора вводится в камеру через кварцевое окно. Согласующее устройство обеспечивает равномерное горение плазмы в нужной области камеры. Следует упомянуть несколько слов об использовании ВЧЕ разряда для синтеза углеродных пленок. Данный подход также применим для получения углеродных микроребер, хотя и не является эффективным [42]. Так, скорость роста структур составляет 0.5 мкм/час, что заметно меньше скорости роста из плазмы индуктивного ВЧ разряда (--4 мкм/ч [41]).
Это может быть связано с тем, что при одинаковой мощности ВЧ излучения плотность плазмы в индуктивном разряде примерно в 10 раз выше того же параметра для плазмы емкостного разряда [43]. В случае использования ВЧ (емкостного и индуктивного) разряда для синтеза углеродных микроребер не требуется дополнительной активации поверхности подложки. Как и в случае СВЧ плазмы, подложка подвергается интенсивной бомбардировке ионами радикалов. Данный аспект, с одной стороны, можно рассматривать как преимущество, т.к. не требуется введения дополнительных методик, связанных с обработкой, а с другой стороны, последующей бомбардировке также подвергаются и микроребра. Это может способствовать увеличению степени травления пленки и образованию структурных дефектов. Методикой плазмохимического осаждения, исключающей эффекты, связанные с ионной бомбардировкой пленки, является метод осаждения из плазмы разряда постоянного тока. Впервые в нашей стране метод плазмохимического осаждения в разряде постоянного тока был применен в 1994 году для синтеза поли кристаллических алмазных пленок [44]. Исследованию применения методики осаждения алмазных пленок в разряде постоянного тока также посвящен ряд других работ, например [45, 46]. Позже было показано, что данная методика позволяет также получать без использования катализатора пленки, преимущественно сформированные микроребрами нанометровой толщины (рис. 1.5); материал получил название нанокристаллический графит (НКГ) и был использован для создания автоэмиссионных катодов [47]. В дальнейшем с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии впервые было показано, что НКГ пленки помимо микроребер содержат нитевидные углеродные наноструктуры [48]. Также впервые было показано, что плазмохимическим методом возможно создавать автокатоды на основе НКГ материала, способные работать при экстремально высоких токах вплоть до 10 А/см [49].
Подробному описанию морфологии, механизмов роста и авто эмиссионных свойств НКГ пленок посвящены главы ниже. Суть метода заключается в следующем. В газовой среде между двумя металлическими электродами зажигается тлеющий разряд постоянного тока. Как правило, в качестве рабочего газа используется смесь водорода и метана. При этом рабочие давления во время синтеза устанавливаются в пределах 100-200 Тор. В процессе проводящая подложка, на которой предполагается получить НКГ материал, располагается на аноде, и ее температура достигает 900 С. Синтез пленки на аноде является главным преимуществом данного метода перед остальными плазмохимическими методиками синтеза углеродных пленок. При таком расположении подложка не подвергается интенсивной бомбардировке заряженными положительными ионами. При этом рост пленки определяется потоком радикалов из плазмы. С другой стороны, отсутствие потока ускоренных полем положительных ионов в случае использования, например, кремния в качестве подложки требует введения методики предварительной активации ее поверхности. Создание центров нуклеации может быть реализовано следующими способами:
механическое царапание с последующей ультразвуковой отмывкой поверхности подложки, например, мелкодисперсной алмазной пастой; использование в качестве дополнительного подслоя предварительно выращенной проводящей поликристаллической алмазной пленки [48]; создание покрытия из металла, способного растворять углерод (например, никель) [50]; плазменная обработка поверхности подложки [29]. Методика также пригодна для синтеза углеродных нанотрубок, однако, в данном случае необходимо использование металлических катализаторов [51].
Экспериментальная установка
СВЧ установка резонаторного типа, на которой проводились эксперименты, была выполнена по классической схеме: СВЧ тракт, газовый тракт и разрядная камера. Электромагнитная энергия мощностью до 1 кВт, излучаемая магнетроном, генерирующим на частоте 2.45 ГГц, с помощью согласующих устройств по волноводу поступала в рабочую камеру. Высота и ширина реактора равнялись 245 мм. Разряд зажигался в рабочем объёме камеры (резонатора) в области максимума электрического поля. Конструкция резонатора обеспечивала концентрацию СВЧ поля в области над молибденовым подложкодержателем диаметром 3 мм, в непосредственной близости от которого и горела плазма. Для измерения температуры подложки были предусмотрены смотровые окна в боковых стенках камеры. Температура подложки регистрировалась с помощью двулучевого пирометра Williamson Pro 90. Принципиальная схема установки представлена на рис. Для осуществления ионной бомбардировки с помощью высокочастотного (ВЧ) электрического поля был изготовлен высокочастотный генератор (13,56 МГц, 50 Вт) и согласующее ВЧ устройство, позволяющее организовать эффективную связь генератора с нагрузочным контуром, несмотря на резко изменяющиеся электрические параметры нагрузки, в том числе добротность. ВЧ поле подавалось на подложкодержатель относительно стенок камеры. Фотография ВЧ плазмы, горящей вблизи подложкодержателя, приведена на рис. 2.2. Фотография комбинированной ВЧ/СВЧ плазмы приведена на рис. 2.3. По сути, СВЧ плазма являлась источником ионов радикалов СхНу, а приложенное к этой плазме ВЧ поле формировало поток ионов в направлении подложки. Таким образом, происходила интенсивная ионная бомбардировка поверхности образца, приводящая к образованию большого количества поверхностных дефектов, а также накоплению на поверхности аморфного sp2 углерода.
Комбинированная ВЧ/СВЧ обработка с независимой регулировкой СВЧ и ВЧ параметров позволяла раздельно варьировать среднюю энергию ионов и их поток на подложку. Также необходимо заметить, что при этом, в сравнении с одночастотным методом, значительно улучшаются однородность морфологии и состава осаждаемых структур по поверхности подложки. В ходе работы исследовались различные режимы ВЧ/СВЧ «посева» и был установлен наиболее эффективный режим. Ниже приводятся параметры такого типичного оптимизированного процесса: 1. Подготовка образцов. В качестве образцов использовались полированные пластины легированного фосфором кремния (КЭФ-4.5) толщиной 400 микрон, имеющие ориентацию (100). Перед процедурой осаждения образцы подвергались стандартной процедуре ультразвуковой мойки: сначала в течение 10 минут в поверхностно-активном органическом растворителе, а затем в течение 5 минут в изопропиловом спирте. 2. Отжиг. Сразу после ультразвуковой мойки образцы помещались в реактор ростовой ВЧ/СВЧ установки. Камера откачивалась до давления 10"1 Тор, затем в нее напускался водород и зажигался комбинированный ВЧ/СВЧ разряд. Длительность обработки составляла 15 мин.; давление водорода - 21 Тор при потоке 240 см /мин; СВЧ мощность 400 Вт; ВЧ мощность 40 Вт (400 В); температура подложки - 840 С. 3. Посев. Затем в газ добавлялся метан (22.5 см /мин, концентрация в водороде 8.6%), и при давлении газа в 25 Тор происходил рост наноуглеродного слоя при следующих параметрах: СВЧ мощность 300 Вт; ВЧ мощность 40 Вт (400 В); температура подложки - 805 С.
Длительность «посева» в среднем составляла 5 минут. На рис.2.4 представлено характерное изображение поверхности подложки после «посева», полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Видно, что поверхность покрыта сферическими глобулами с характерным размером 5-20 нм. Рамановский спектр пленки, образованной в результате «посева», содержит широкие перекрывающиеся линии в области 1360 см"1 и 1580 см"1 (рис. 2.5). Это указывает на то, что наблюдаемые глобулы имеют аморфную структуру, образованную преимущественно sp гибридными атомами углерода. Более детальное исследование среза подложки после «посева» методом ПЭМ выявило наличие на поверхности под углеродными глобулами большого числа конусообразных структур кремния (рис. 2.6). Результаты электронной дифракции (рис. 2.6 - Ь-вставка) указывают на то, что эти образования имеют монокристаллическую структуру и являются продолжением подложки.
Исследование механизмов роста нанокристаллического графита на поверхности кремния
Кремниевые пластины (100) площадью 1 см предварительно подвергались обработке в ВЧ/СВЧ плазме, описанной в главе 2. Время «посева» для всех подложек составляло 5 минут. Далее методом плазмохимического осаждения в разряде постоянного тока на поверхности подложек производился синтез НКГ пленок. Максимальное время синтеза составляло 20 минут. Синтез НКГ пленки производился без использования каких-либо катализаторов. В качестве рабочего газа использовалась смесь метана и водорода. Температура подложки достигала 850С. С целью исследования механизмов роста время синтеза НКГ пленок варьировалось в пределах 2-20 минут. Время синтеза отсчитывалось с момента подачи в камеру метана. После синтеза поверхность всех образцов исследовалась методом СЭМ. Для исследования структурных свойств НКГ пленок использовался метод ПЭМ, а также метод рамановской спектроскопии. Длина волны лазера, используемого для возбуждения рамановских спектров, была равна 532 нм, а мощность излучения - 30 мВт. На рис. 3.6 показаны изображения поверхности НКГ пленок на разных стадиях роста, полученные с помощью СЭМ. Как было указано выше, после зажигания водородной плазмы в камеру вводился метан. При этом концентрация метана, а также общее давление плавно повышались до значений 3-8% и 200 Тор соответственно. Время выхода значения рабочего давления на стационарный уровень было равно, примерно, 3-4 минуты. В результате пониженной концентрации метана по отношению к водороду в камере создаются благоприятные условия для роста пленки, преимущественно образованной метастабильной sp3 фазой углерода. Так известно, что процесс синтеза алмазных пленок происходит в результате конкуренции двух процессов: осаждения углерода и его травления водородом на поверхности подложки [57]. Если на поверхность подложки в результате плазмохимических процессов происходит осаждение аморфного sp2 углерода, то часть атомов под действием температуры может перейти в sp3 гибридное состояние. При этом если концентрация метана в рабочей смеси сравнительно низкая ( Т%), то ключевую роль будет играть водород, присутствующий в плазме.
В результате того, что степень травления sp фазы водородом на порядки выше степени травления sp фазы, будет происходить постепенное накопление атомов углерода с sp3 гибридизацией, образующих в дальнейшем отдельные кристаллиты [58]. Влиянием концентрации метана в рабочей смеси на образование sp"/sp фазного углерода на поверхности подложки можно объяснить то, что в первые 3-4 минуты поверхность подложки покрывается отдельными кристаллитами, увеличивающимися в размерах с течением времени (рис. 3.6 -а-с). На рис. 3.7 представлено изображение, полученное на ПЭМ сечения образца, соответствующего 2 минутам роста. Видно, что кристаллиты состоят из отдельных фрагментов размером 5-30 нм. Нанометровые размеры кристаллита способствуют появлению большого числа структурных дефектов, а также наличию межкристаллической аморфной фазы. Дальнейшее увеличение концентрации метана до, примерно, 8% (выход на рабочий режим) приводит к тому, что образование sp фазы углерода практически прекращается. При этом относительно высокая установившаяся концентрация метана способствует появлению и росту на поверхности микроребер (рис. 3.6 - b - f), в основе которых лежат атомы углерода в sp гибридном состоянии. Как видно из рис.3.6, рост микроребер начинается на 3-4 минуте после установления равновесного давления. Исследования поверхности пленки на данном этапе роста с помощью ПЭМ выявили наличие графеновых плоскостей, расположенных параллельно поверхности подложки (рис. 3.9-а). Характерная толщина этих плоскостей составила, примерно, 2-3 нм, что соответствует 6-8 графеновым слоям. При этом микроребро образуется в месте стыка горизонтальных мультислойных графеновых плоскостей (рис. 3.9-Ь). Дальнейшее увеличение времени синтеза приводит к росту микроребер в высоту и ширину. Кроме того, как было указано в разделе 3.1, характерная толщина микроребра после 20 минут синтеза равна 6-8 нм, что больше толщины на начальных стадиях роста. Представленные результаты позволяют рассмотреть модель роста графитового микроребра, основанную на поверхностной диффузии радикалов, поступающих из плазмы. Так, на начальном этапе синтеза в результате наличия «посева» на поверхности подложки происходит образование мультислойных графеновых плоскостей. Образованию графена, по-видимому, способствует наличие на поверхности карбидного подслоя [35].
Система регистрации оптических эмиссионных спектров СВЧ плазмы
Для диагностики оптических эмиссионных спектров плазмы в процессе осаждения поликристаллических алмазных пленок использовалась оптическая схема (9 на рис. 5.1), состоящая из входного объектива, оптоволокна, спектрографа и регистрирующего элемента. Излучение, исходящее от плазмы, попадало на входной объектив и далее, посредством передачи по оптоволокну, фокусировалось на входной щели спектрографа марки MS 35041 фирмы Solar TIL Спектрограф обладает следующими характеристиками: база 30 см, спектральное разрешение 0,25 нм (при ширине входной щели 100 мкм), вращающаяся турель с тремя дифракционными решетками: - 1200 штрихов/мм, длина волны в угле блеска 250 нм; - 1200 штрихов/мм, длина волны в угле блеска 450 нм; - 1200 штрихов/мм, длина волны в угле блеска 600 нм. Поочередное использование решеток с различными углами блеска позволило исследовать спектральный диапазон в области от 200 нм до 1200 нм. В качестве регистрирующего оптические спектры устройства использовалась CCD матрица с усилителем яркости. Данное устройство предназначено для цифровой регистрации черно-белого изображения в лабораторных условиях в пределах от 230 до 870 нм. Чувствительность детектора позволяет работать вплоть до режима счета фотонов. Управление спектроскопической системой осуществляется с помощью персонального компьютера. Предварительно была проведена калибровка спектроскопической системы по интенсивности с помощью вольфрамовой ленточной лампы, излучающей как серое тело с известным коэффициентом серости. Точность калибровки составляет 10-15%. Калибровка по интенсивности дала возможность более корректно сравнивать интенсивности линий, находящихся в различных частях спектрального диапазона. В ходе работы были сняты обзорные спектры водородной плазмы и плазмы водорода с парами этилового спирта (С2Н5ОН) и ТМБ в процессе осаждения легированных бором поликристаллических алмазных пленок Особое внимание было уделено анализу интенсивности линии на 249,7 нм, соответствующей переходу с 3s на 2р в атоме бора. По относительной интенсивности этой линии мы судили о количестве бора в плазме. Так же были построены корреляционные зависимости между особенностями оптических эмиссионных спектров и спектров рамановекого рассеяния. Как было указано выше, при высокой концентрации легирующей примеси у алмаза проявляется ряд интересных свойств, которые представляют как научный, так и практический интерес.
Важным становиться исследование поведения бора в поликристаллических алмазных пленках, которые, как правило, представляют собой смесь sp и sp" фаз. В связи с этим представляет интерес исследовать влияние степени легирования на оптические свойства поликристаллических алмазных пленок. В частности, поликристаллические алмазные пленки с различной степенью легирования бором, выращенные методом газофазного осаждения в СВЧ разряде были исследованы методами спектроскопии рамановского рассеяния и спектроскопии оптического поглощения в диапазоне от 200 нм до 1000 нм. Поликристаллические алмазные пленки были выращены на подложке из кремния ([100] КЭФ 20). Толщина полученных пленок была, примерно, равна 4 мкм. Процентное содержание бора в пленках определялось методом вторичной ионной масспектроскопии. Для проведения измерений спектров оптического поглощения выращенных пленок (в геометрии на просвет) у каждого из образцов стравливалась часть кремниевой подложки так, что алмазная пленка представляла собой мембрану диаметром, примерно, 5 мм. Для спектроскопии поглощения использовались два источника сплошного спектра излучения: дейтериевая лампа с полым катодом в УФ области спектра, и вольфрамовая лампа накаливания в видимой и ближней ИК областях. Спектры рамановского рассеяния пленок исследовались с использованием в качестве источника возбуждающего излучения аргонового лазера, мощность генерации которого составляла 30 мВт на длине волны 514,5 нм. Все рамановские спектры снимались с той части алмазной пленки, которая была свободной от кремниевой подложки, т.е. с мембраны. Делалось это для того, чтобы исключить возможный вклад кремния в полученные спектры. Образцы поликристаллических алмазных пленок были выращены при концентрации ТМБ в рабочей смеси равной 0.58, 1.2, 2.3, 3.4, и 4.5 %. Концентрация бора в пленках составила соответственно 0.2, 0.34, 0.6, 0.9 и 1.2%. Кроме того, для проведения сравнительного анализа в поведении рамановских спектров была выращена не легированная алмазная пленка.
