CN101985744B - 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氮化碳的制备技术，具体涉及一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在硅衬底表面进行碳化学吸附，所述碳源气体中的碳原子吸附在所述硅衬底上；所述吸附在硅衬底上的碳原子与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的产物，直到硅衬底表面的碳原子完全消耗；再通入第三反应前驱体与所述卤代反应的产物进行胺化反应，在衬底表面形成单晶立方型氮化碳薄膜。本发明利用原子层沉积技术制备氮化碳薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的单晶立方型氮化碳薄膜结构完整。
Description
技术领域
本发明涉及氮化碳的制备技术，具体涉及一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法。
背景技术
自从有人在上世纪末提出一种硬度可能超过金刚石的亚稳相β-C3N4后，这种材料的研究就一直是材料学的一个研究热点，后来科学家又陆续的计算出了C3N4的其他几种相态：α相、立方相、准立方相和类石墨相，这五种相态除类石墨相外，其余相态都比金刚石硬，其原理在于氮化碳中的碳是sp3杂化形成的，和金刚石中的碳的杂化情况相同，且氮化碳中的碳氮键比金刚石中的碳碳键短，且键能大，因此氮化碳比金刚石硬。氮化碳除了具备高硬度和高弹性外，还具有耐磨损、防腐蚀、耐高温等特性，能很好的运用于机械加工领域；它具有宽能带间隙和高导热性，是半导体和光学器件的候选材料。但是要把氮化碳从理论变为实际，科学家们尝试了多种方法，如等离子体辅助化学气相沉积法、反应溅射法、激光烧蚀法等，但制作出来的氮化碳薄膜多呈非晶结构，其原因在于当这五种晶相同时无序的生长，会导致最后形成的薄膜出现非晶的结构。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，该方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的薄膜结构完整。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在硅衬底表面进行碳化学吸附，所述碳源气体中的碳原子吸附在所述硅衬底上；
所述吸附在硅衬底上的碳原子与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的产物，直到硅衬底表面的碳原子完全消耗；
再通入第三反应前驱体与所述卤代反应的产物进行胺化反应，在衬底表面形成单晶立方型氮化碳薄膜。
上述方案中，所述在将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的在步骤之前还包括：所述硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成硅氢键。
上述方案中，所述碳源气体为重氮甲烷；所述重氮甲烷在硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照或者低温加热，所述重氮甲烷经过光照或低温加热的分解产物具有未成键电子。
上述方案中，所述第二反应前驱体为气态碘单质；所述重氮甲烷与所述气态碘单质发生卤代反应，使得重氮甲烷中除碳以外的其他官能团被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键。
上述方案中，所述卤代反应是在光照条件下进行的。
上述方案中，所述第三反应前驱体为氨气；所述胺化反应中，碳碘键中的碘原子被氨气中的氮原子取代，使得碳氮成键。
上述方案中，所述胺化反应是在光照条件下进行的。
上述方案中，所述在向原子层沉积设备反应腔通入第一反应前驱体、第二反应前驱体或第三反应前驱体步骤之前还包括：向原子层沉积设备反应腔通入惰性气体。
上述方案中，所述惰性气体为氩气或氦气。
与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：
本发明利用原子层沉积技术制备单晶立方型氮化碳薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的单晶立方型氮化碳薄膜结构完整。
附图说明
图1为本发明实施例提供的重氮甲烷与硅衬底进行化学吸附的过程示意图；
图2为本发明实施例提供的重氮甲烷与气态碘单质进行卤代反应的过程示意图；
图3为本发明实施例提供的氨气与卤代反应副产物进行胺化反应的过程示意图；
图4为本发明实施例提供的硅衬底表面亚碘甲基和氨基发生反应的示意图；
图5为本发明实施例提供的硅衬底表面亚碘甲基和氨基发生二次反应后的俯视图；
图6为反应前和反应后硅衬底表面的化学式表示图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，对硅(111)衬底表面用氢气处理5分钟-20分钟，使硅衬底表面形成Si-H键，如图1中a图所示；
步骤102，将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备的反应腔中；向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入重氮甲烷，同时用光照射，使重氮甲烷分解，分解产物具有的未成键电子，重氮甲烷分解的化学表达式为：
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(:CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：
即在硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质，如图2中a图所示；同时用光照射，使得硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟，排出未反应的气态碘单质，再通入氨气，如图3中a图所示；利用氮原子中未成对的孤对电子的亲核性，以及碘原子的不稳定性来发生反应，反应的化学表达式为：
C-I+NH3→C-NH2+HI，使得碳氮成键，如图3中b图所示；
步骤105，用光照使得碘原子被氮原子二次取代，如图4所示，即再次脱去HI分子，图5为衬底表面发生第三次反应后的结构俯视图，所得物质即为单晶立方型氮化碳(C3N4)薄膜。硅衬底表面反应前后的化学式如图6所示。
实施例2：
一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，对硅(111)衬底表面用氢气处理5分钟-20分钟，使硅衬底表面形成Si-H键，如图1中a图所示；
步骤102，将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备的反应腔中；向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入乙烯酮，同时用光照射，使乙烯酮分解，分解产物具有的未成键电子，乙烯酮分解的化学表达式为：
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(:CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：
即在硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟，排出未反应的乙烯酮，再通入气态碘单质，如图2中a图所示；同时用光照射，使得硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入氩气5分钟，排出未反应的气态碘单质，再通入氨气，如图3中a图所示；利用氮原子中未成对的孤对电子的亲核性，以及碘原子的不稳定性来发生反应，反应的化学表达式为：
C-I+NH3→C-NH2+HI，使得碳氮成键，如图3中b图所示；
步骤105，用光照使得碘原子被氮原子二次取代，如图4所示，即再次脱去HI分子，图5为衬底表面发生第三次反应后的结构俯视图，所得物质即为单晶立方型氮化碳(C3N4)薄膜。硅衬底表面反应前后的化学式如图6所示。
上述实施例中，在通入重氮甲烷或气态碘单质的前后所通入的惰性气体不局限于氩气，还可以是氦气。
本发明是利用衬底和立方型氮化碳薄膜的匹配关系，先进行单层薄膜的生长，利用第一层和第二层薄膜的相关性来进行第二层薄膜的生长，依次类推，逐渐生长出具有完整单晶结构的立方型氮化碳薄膜。本发明具体是利用原子层沉积技术制备单晶立方型氮化碳(C3N4)薄膜，该方法操作简单，转化率高，能耗小，制得的薄膜结构完整，碳氮比为3∶4，薄膜中碳原子都通过sp3杂化成键，该薄膜能广泛的运用于机械加工、半导体和光学器件领域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
向所述原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，所述碳源气体作为第一反应前驱体在硅衬底表面进行碳化学吸附，所述碳源气体中的碳原子吸附在所述硅衬底表面上；
所述吸附在硅衬底表面上的碳原子与通入的第二反应前驱体发生卤代反应，并产生相应的产物，直到硅衬底表面的碳原子完全消耗；
再通入第三反应前驱体与所述卤代反应的产物进行胺化反应，在衬底表面形成单晶立方型氮化碳薄膜。
2.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，在所述将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中的步骤之前还包括：所述硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成硅氢键。
3.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为重氮甲烷或乙烯酮；所述重氮甲烷或乙烯酮在硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照或者低温加热，所述重氮甲烷或乙烯酮经过光照或低温加热的分解产物具有未成键电子；所述分解产物吸附在所述硅衬底表面形成甲基结构。
4.如权利要求3所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述第二反应前驱体为气态碘单质；所述甲基结构与所述气态碘单质发生卤代反应，使得所述甲基结构中除碳以外的其他官能团被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键。
5.如权利要求4所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述第三反应前驱体为氨气；所述胺化反应中，碳碘键中的碘原子被氨气中的氮原子取代，使得碳氮成键。
6.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述卤代反应是在光照条件下进行的。
7.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述胺化反应是在光照条件下进行的。
8.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，在所述向原子层沉积设备反应腔通入第一反应前驱体、第二反应前驱体或第三反应前驱体步骤之前还包括：向原子层沉积设备反应腔通入惰性气体。
9.如权利要求8所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气或氦气。
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