Nanocrystalline diamond cvd-films: structure, properties and prospects of application

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

Keywords: nanocrystalline diamond films; chemical vapor deposition; nucleus density; surface morphology; physical properties; application

Abstract

The review of the literature data devoted to manufacture of CVD-nanocrystalline diamond films have been performed. The basic technological processes that allow limiting the size of growing diamond crystallites (pretreatment of a substrate surface, change of working gas species and use of substrate bias potential) were discussed. Structure, properties, future prospects of nanocrystalline diamond film application in various areas of science and engineering was given.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

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

References

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.