Нанокристалічні алмазні cvd-плівки: структура, властивості і перспективи застосування

И. И. Выровец Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”
В. И. Грицына Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков
С. Ф. Дудник Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков
О. А. Опалев Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков
Е. Н. Решетняк Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков
В. Е. Стрельницкий Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков

Ключові слова: нанокристалічні алмазні плівки; метод газофазного хімічного осадження; густина зародкоутворення; морфологія поверхні; фізичні властивості; галузі застосування

Анотація

Наведено огляд літератури, що присвячена синтезу нанокристалічних алмазних плівок методом газофазного хімічного осадження. Обговорюються основні прийоми, які дозволяють обмежувати розмір зерен зростаючих кристалітів в алмазних плівках. До них можна віднести попередню обробку поверхні підкладки, зміну складу робочого газу та подачу потенціалу зміщення на підкладку. Розглянуто особливості структури й властивостей наноструктурних алмазних плівок і перспективи їх використання у різних галузях науки та техніки.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Біографії авторів

И. И. Выровец, Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”

снс

В. И. Грицына, Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков

снс

С. Ф. Дудник, Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков

снс

О. А. Опалев, Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков

снс

Е. Н. Решетняк, Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков

снс

В. Е. Стрельницкий, Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков

снс

Посилання

Стрельницкий В.Е., Аксенов И.И. Пленки алмазоподобного углерода. – Харьков.: ИПП “Контраст”, 2006. – 344 с.

Ральченко В., Конов В. CVD-алмазы: применение в электронике//Электроника: Наука, Технология, Бизнес.– 2007. – № 4. – С. 58-67.

Gruen D.M. Nanocrystalline diamond films// Annu. Rev. Mater. Sci. – 1999, – Vol. 29. – P. 211-259.

Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 416 с.

Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure//Acta mater. – 2000. – Vol. 48. – P.1-29.

Huang S.V., Hsu H.C., You M.S., Hong F.C. Growth of diamond films with high surface smoothness//Diamond & Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 22–28.

Gan L., Bolker A., Saguy C., Kalish R. et al. The effect of grain boundaries and adsorbates on the electrical properties of hydrogenated ultra nano crystalline diamond//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 1118-1122.

You M.S., Hong F.C., Jeng Y.R., Huang S.M. Low temperature growth of highly transparent nanocrystalline diamond films on quartz glass by hot filament chemical vapor deposition//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 155-159.

Chen H. C., Palnitkar U., Sundaravel B., Lin I.N. et al. Enhancement of field emission properties
in nanocrystalline diamond films upon 100 MeV silver ion irradiation//Diamond & Related Materials – 2009. – Vol. 18. – P. 164-168.

Пашнев В.К., Опалев О.А., Грицына В.И., Бизюков Ю.А., Брык В.В., Стрельницкий В.Е., Колупаева З.И. Осаждение алмазных покрытий с использованием тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем//Физическая инженерия поверхности.– 2003.– Т. 1, № 1. – С. 49-55.

Выровец И.И., Грицына В.И., Дудник С.Ф., Опалев О.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Рентгенографическое исследование структуры и напряженного состояния алмазных покрытий, полученных в тлеющем разряде//ВАНТ, Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. – 2008. – № 1 (17). – С. 142-146.

Пашнев В.К., Стрельницкий В.Е., Опалев О.А., Грицына В.И. и др. Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий//ВАНТ, Серия: Вакуум чистые материалы, сверхпроводники. – 2004. – № 6 (14). – С. 50-60.

Выровец И.И., Грицына В.И., Опалев О.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Формирование поликристаллических алмазных пленок в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем//Материалы международной конференции “Физико-химические основы формирования и модификации микрои наноструктур”.– Харьков: НФТЦ. – 2007. – С. 23-25.

Выровец И.И., Грицына В.И., Опалев О.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Использование микро- и нанодисперсного алмаза для осаждения поликристаллических алмазных пленок в тлеющем разряде//Физическая инженерия поверхности. – 2007. – Т. 5, № 1-2. – С. 87-93.

Выровец И.И., Грицына В.И., Дудник С.Ф., Опалев О.А., Решетняк О.М., Стрельницкий В.Е. Газофазное химическое осаждение нанокристаллических алмазных пленок//Сб. докладов Харьковской нанотехнологической ассамблеи.–Харьков.–2008.–Т. 1. – С. 248-255.

Vyrovets I.I., Grytsyna V.I., Dudnik S.F., Opalev O.A., Reshetnyak E.N., Strel’nitskij V.E. Surface morphology and structure of nanocrystalline diamond films deposited in CH4/H2/Ar glow discharge plasma//Functional Materials. – 2009. – Vol. 16, № 2. – P. 155-160.

Выровец И.И., Грицына В.И., Дудник С.Ф., Опалев О.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Формирование наноструктурных алмазных пленок в плазме тлеющего разряда// Материалы первой международной научной конференции по наноструктурным материалам. – Минск. – 2008. – С. 360-361.

Stacey A., Aharonovich I., Prawer S., Butler J. Controlled synthesis of high quality micro/nanodiamonds by microwave plasma chemical vapor deposition//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 51-55.

Barbosa D.C., Almeida F.A., Silva R.F., Ferreira N.G. et al. Influence of substrate temperature on formation of ultrananocrystalline diamond films deposited by HFCVD argon-rich gas mixture//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 1283-1288.

Wang C.S., Chen H.C., Cheng H.F., Lin I.N. Synthesis of diamond using ultra-nanocrystalline diamonds as seeding layer and their electron field emission properties//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 136-140.

Popov C., Favaro G., Kulisch W., Reithmaier J. Influence of the nucleation density on the structure and mechanical properties of ultrananocrystalline diamond films//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 151-154.

Popov C., Bliznakov S., Kulisch W. Influence of the substrate nature on the properties of nanocrystalline diamond films//Diamond & Related Materials. – 2007. – Vol. 16. – P. 740-743.

Gouzman I., Fuchs O., Lifshitz Y., Michaelson Sh. et al. Nanodiamond growth on diamond by energetic plasma bombardment//Diamond & Related Materials.–2007. – Vol. 16. – P. 762-766.

Fernandes A.J.S., Neto M.A., Almeida F.A., Silva R.F. et al. Nano- and micro-crystalline diamond growth by MPCVD in extremely poor hydrogen uniform plasmas//Diamond & Related Materials. – 2007. – Vol. 16. – P. 757-761.

Ральченко В.Г., Кононов В.И., Савельев А.В, Попович А.Ф. и др. Свойства легированных алмазных пленок, выращенных в СВЧ разряде//Сб.докладов XVII Международного симпозиума “Тонкие пленки в электронике”. – М.: МВТУ. – 2005. – C. 541-546.

Sumant A., Gilbert P., Grierson D., Konicek A. et al. Surface composition, bonding, and morphology in the nucleation and growth of ultrathin, high quality nanocrystalline diamond films //Diamond & Related Materials.–2007. – Vol. 16. – P. 718-724.
Liu Y.K., Tso P.L., Lin I.N., Tzeng Y. et al. Comparative study of nucleation processes for the growth of nanocrystalline diamond//Diamond & Related Materials.– 2006.– Vol. 15.– P. 234-738.

Cicala G., Bruno P., Benedic F., Silva F. et al. Nucleation, growth and characterization of nanocrystalline diamond films//Diamond & Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 421-425.

Silva F., Benedic F., Bruno P., Gicquel A. Formation of <110> texture during nanocrystalline diamond fgrowth: an X-ray diffraction study// Diamond & Related Materials.– 2005. – Vol. 14. – P. 398-403.

Дворкин В.В., Дзбановский Н.Н., Паль А.Ф., Суетин Н.В. и др. Использование ультрадисперсного алмаза для селективного осаждения легированных бором алмазных пленок//Физика твердого тела. – 2004. – T. 46, Вып.4. – С. 710-713.

Birrell A., Gerbi J.E., Auciello O., Gibson J.M. Interpretation of Raman spectra of ultrananocrystalline diamond//Diamond & Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 86-92.

Huang W., Tran D., Asmussen J., Grotjohn T. et al. Synthesis of thick, uniform, smooth, ultrananocrystalline diamond films by microwave plasma-assisted chemical vapor deposition//Diamond & Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 341-344.

Show Y., Swope V. M., Swain G. M. The effect of the CH4 level on the morphology, microstructure, phase purity and electrochemical properties of carbon films deposited by microwave-assisted CVD from Ar-rich source gas mixtures// Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 1426-1434.

Lin T., Yu G., Wee T, Shen Z. Compositional mapping of the argon–methane–hydrogen system for polycrystalline to nanocrystalline diamond film growth in a hot-filament chemical vapor deposition system//Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 77, No. 17. – P. 2692-2694.

May P.W., Smith J.A., Mankelevich Yu.A. Deposition of NCD films using hot filament CVD and Ar/CH4/H2 gas mixtures//Diamond & Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 345-352.

Zhou H., Watanabe J., Miyake M., Ogino A. et al. Optical and mass spectroscopy measurements of Ar/CH4/H2 microwave plasma for nano-crystalline diamond film deposition//Diamond & Related Materials. – 2007.– Vol. 16.–P. 675-678.

Ikada R., Kato K., Abe T., Iizuka S. Nanocrystalline diamond deposition in electron temperature-controlled CH4/H2/Ar plasma//Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 506-507. – P. 73-76.

Mortet V., D’Haen J., Potmesil J., Kravets R. Thin nanodiamond membranes and their microstructural, optical and photoelectrical properties //Diamond & Related Materials.– 2005. –Vol. 14. – P. 393-397.

Lee Y.C., Lin S.J., Pradhan D., Lin I.N. Improvement on the growth of ultrananocrystalline diamond by using pre-nucleation technigue//Diamond & Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 353-356.

Saada S., Pochet S., Rocha L., Arnault J.C. et al. Real time investigation of diamond nucleation by laser scattering//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 707-712.

Slapa M., Szmidt J., Szczesny A., Sniecikowski P. et al. Ultra-thin nanocrystalline diamond detectors//Diamond & Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 125-428.

Huang S.M., Hong F.C. Low temperature growths of nanocrustalline by plasma-assisted hot filament chemical vapor deposition//Surf. & Coat. Technol.– 2006. – Vol. 200. – P. 3160-3165.

Csikvari P., Somogyi A., Veres M., Hars G. et. al. Investigation of the combined effect of argon addition and substrate bias on the growth of ultrananocrystalline diamond layers//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 14591465.

Lifshitz Y., Meng X.M., Lee S.T., Akhveldiany R. et al. Visualization of diamond nucleation and growth from energetic species//Phys. Rev. Let. – 2004. – Vol. 93, № 5. – P. 056101(4).

Heiman А., Lakin E., Zolotoyabko E., Hoffman A. Microstructure and stress in nanocrystalline diamond films deposited dy DC glow discharge CVD//Diamond & Related Materials. – 2002. – Vol. 11. – P. 601-607.

Heiman А., Gouzman I., Christiansen S.H., Strunk H.P. et al. Nano-diamond films deposited dy direct current glow discharge assisted chemical vapor deposition//Diamond & Related Materials. – 2000. – Vol. 9. – P. 866-871.

Hoffman A., Gouzman I., Michaelson Sh. Formation mechanism of nano-diamond films from energetic species: From experiment to theory// Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 515. – P. 14-26.

Wang S., Swope V., Butler J., Feygelson T. et al. The structural and electrochemical properties of boron-doped nanocrystalline diamond thinfilm electrodes grown from Ar-rich and H2-rich source gases//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 669-677.

Liu K.F., Chen L.J., Tai N.H., Lin I.N. Effect of Mo-buffer layer on the growth behavior and the electron field emission properties of UNCD films//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 181-185.

Chen H.G., Chang L. Growth of diamond nanoplatelets on nanocrystalline diamond substrates //Diamond & Relaed Materials.–2009. – Vol. 18. – P. 141-145.

Raina S., Kang W.P., Davidson J.L. Nitrogen incorporated nanodiamond film with ‘ridge’ surface morphology for detection of bio-analyte//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 574-577.

Miyake M., Ogino A., Nagatsu M. Characteristics of nano-crystalline diamond films prepared in Ar/H2/CH4 microwave plasma//Thin Solid Films. – 2007. – Vol. 515. – P. 4258-4261.

Krauss A., Auciello O., Gruen D., Jayatissa A. et al. Ultrananocrystalline diamond thin films for MEMS and moving mechanical assembly devices//Diamond & Related Materials. – 2001. – Vol. 10. – P. 1952-1961.

Abreu C.S., Amaral M., Oliveira F.J., Gomes J.R. et al. HFCVD nanocrystalline diamond coatings for tribo-applications in the presence of water// Diamond & Related Materials.– 2009. – Vol. 18. – P. 271-275.

Hupert M., Muck A., Wang J., Stotter J. et al. Conductive diamond thin-films in electrochemistry//Diamond & Related Materials. – 2003. – Vol. 12. – P. 1940-1949.

Williams O.A., Curat S., Gerbi J. E., Gruen D.M. et al. N-type conductivity in ultrananocrystalline diamond films//Appl. Phys. Lett.– 2001.–Vol. 85. – P. 1680-1682.

Bhattacharyya S., Auciello O., Birrell J., Carlisle J. et al. Synthesis and characterization of higlyconducting nitrogen-doped ultrananocrystalline diamond films//Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 79. – P. 1441-1443.

Pleskov Yu.V., Krotova M.D., Elkin V.V., Ralchenko V.G. et al. n-Type nitrogenated nanocrustlline diamond thin-film electrodes: The effect of the nitrogenation on electrochemical properties//Electrochimica Acta. – 2007. – Vol. 52. – P. 5470-5478.

Huang B.R., Wu T.H., Jou S., Chen W.R. et al. Effect of triode structure on field emission properties of nanocrystalline diamond films//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 235-237.

Suzuki M., Ono T., Sakuma N., Sakai T. Lowtemperature thermionic emission from nitrogen doped nanocrystalline diamond films on n-type Si grown by MPCVD//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 1274-1277. 61. Koeck F., Nemanich R. Low temperature onset for thermionic emitters based on nitrogen incorporated UNCD films//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 232-234.

Плесков Ю.В. Электрохимия алмаза//Аналитические обзоры Института электрохимии им. Фрумкина РАН. – 2003. – С. 1-21.

Qureshi A., Kang W., Davidson J., Gurbuz Y. Review on carbon-derived, solid-state, micro and nano sensors for electrochemical sensing appli
cations//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 11401-1420.

Pietzka C., Denisenko A., Dipalo M., Kohn E. Nano-crystalline diamond electrodes with cap layer decorated by gold particles//Diamond & Related Materials. – 2010. – Vol. 19. – P. 56-61. Shi B., Jin Q., Chen L., Auciello O. Fundamentals of ultrananocrystalline diamond (UNCD) thin films as biomaterials for developmental biology: Embryonic fibroblasts growth on the surface of (UNCD) films//Diamond & Related Materials. – 2009. – Vol. 18. – P. 596-600.