CN103205805A - 一种单晶立方形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形氮化碳薄膜的制备方法。所述制备方法，包括如下步骤：(1)将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；(2)向原子层沉积设备反应腔中通入碳源气体，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，碳源气体中的碳原子吸附在硅衬底上；(3)吸附在硅衬底上的碳原子与电离后的第二反应前驱体在氢气的辅助下发生反应，产生相应的产物，直到硅衬底表面的碳原子完全消耗；(4)重复步骤(2)和(3)，即可在衬底表面形成单晶立方形氮化碳薄膜。本发明利用原子层沉积技术制备单晶立方形氮化碳薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的单晶立方形氮化碳薄膜结构完整。

Description

一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法
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形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形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：一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
(2)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；
(3)所述吸附在硅衬底上的碳原子与电离后的第二反应前驱体在氢气的辅助下发生反应，产生相应的产物，直到所述硅衬底表面的碳原子完全消耗；
(4)重复步骤(2)和(3)，即可在所述衬底表面形成单晶立方形氮化碳薄膜。
上述方案中，所述步骤(1)之前还包括：所述硅衬底的表面经过标准液和氢氟酸处理，在所述硅衬底的表面形成硅氢键。
上述方案中，所述步骤(2)中的碳源气体为四氯化碳，所述四氯化碳通过和所述硅衬底表面反应而进行碳化学吸附。
上述方案中，所述步骤(3)中的第二反应前驱体为氮气，所述氮气电离后的氮气分子与氢气形成氮氢离子，与所述四氯化碳中的氯原子发生反应，使得所述四氯化碳中除碳以外的其他官能团被氮原子取代。
上述方案中，所述步骤(2)和步骤(3)之前分别包括：向原子层沉积设备反应腔通入清洗气体清洗腔室。
上述方案中，所述清洗气体为氮气。
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形氮化碳薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，且制得的单晶立方形氮化碳薄膜结构完整。
附图说明
图1为本发明实施例中硅衬底表面经过处理的形成Si-H键的示意图；
图2为本发明实施例中四氯化碳与硅衬底表面发生反应，碳原子吸附在硅衬底上的示意图；
图3为本发明实施例中硅衬底表面被碳原子吸附后的示意图；
图4为本发明实施例中向原子层沉积反应腔通入氢气，并进行氮气等离子体放电电离的示意图；
图5为本发明实施例中氮气电离后，硅衬底表面形成具有氢原子的碳氮结构的示意图。
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。
本发明实施例提供一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤101，通过标准液和氢氟酸处理硅衬底表面，在硅衬底表面形成硅氢键，如图1所示，其中，标准液是指：1号液，浓硫酸∶双氧水＝4∶1；2号液，氨水∶纯净水∶双氧水＝1∶5∶1；3号液，盐酸∶双氧水∶纯净水＝1∶1∶6；将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
步骤102，开启原子层沉积设备，调整工作参数，达到实验所需工作环境；先向原子层沉积设备反应腔通入氮气清洗腔室，然后向原子层沉积反应腔中通入四氯化碳，如图2所示；四氯化钛气体和硅衬底表面的氢原子发生反应，硅衬底表面完全被四氯化碳中的碳原子吸附，如图3所示；
步骤103，先向原子层沉积设备反应腔通入氮气清洗腔室，然后向原子层沉积设备反应腔中通入氢气，氢气的速率为2sccm-10sccm，并进行氮气等离子放电，等离子体放电功率为1W-100W，氮气电离后的氮气分子与氢气形成氮氢离子，与四氯化碳中的氯原子发生取代反应，如图4所示；直到四氯化碳中除碳以外的其他官能团全被氮原子取代后，硅衬底表面形成具有氢原子的碳氮结构，如图5所示；
步骤104，步骤102至步骤103这一反应周期结束后，硅衬底表面全为氢原子，此时重复步骤102至步骤103，可以逐层生长单晶立方形氮化碳薄膜。
本发明利用衬底和立方形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，通过等离子体的加入，能有效的增加薄膜中氮元素的含量。本发明操作简单，转化率高，能耗小，且制得的薄膜结构完整，且该方法优于用氨气作为氮源的方法，它能够减小所需的电离功率，提高氮元素的含量。
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 (6)

1.一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
(2)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；
(3)所述吸附在硅衬底上的碳原子与电离后的第二反应前驱体在氢气的辅助下发生反应，产生相应的产物，直到所述硅衬底表面的碳原子完全消耗；
(4)重复步骤(2)和(3)，即可在所述衬底表面形成单晶立方形氮化碳薄膜。
2.如权利要求1所述的单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)之前还包括：所述硅衬底的表面经过标准液和氢氟酸处理，在所述硅衬底的表面形成硅氢键。
3.如权利要求1所述的单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的碳源气体为四氯化碳，所述四氯化碳通过和所述硅衬底表面反应而进行碳化学吸附。
4.如权利要求3所述的单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的第二反应前驱体为氮气，所述氮气电离后的氮气分子与氢气形成氮氢离子，与所述四氯化碳中的氯原子发生反应，使得所述四氯化碳中除碳以外的其他官能团被氮原子取代。
5.如权利要求1所述的单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)之前分别包括：向原子层沉积设备反应腔通入清洗气体清洗腔室。
6.如权利要求5所述的单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，所述清洗气体为氮气。
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