BDD电极的制备及其特性研究

BDD电极的制备及其特性的研究

摘要

本篇论文使用了热丝化学气相沉积法（HFCVD）制备掺硼金刚石(BDD)膜电极，接着对掺硼金刚石薄膜的生长特性进行深入的研究和仔细的分析。然后我们对制备获取的掺硼金刚石电极，采用SEM、Raman光谱、XRD等手段表征了掺硼金刚石的微观形貌及其结构，并对BDD电极的Hall效应分析、BDD电极的充放电性能分析、BDD电极的阻抗分析、BDD电极的动力学分析和用循环伏安法对BDD电极的电势窗口分析。

通过实验表明:这次实验制成了质量较好的掺硼金刚石膜电极。然后对其进行电化学性能的测试发现其的比电容比较大，可用来做优良的电极材料。

关键词：掺硼金刚石 HFCVD 电化学 Hall效应

Synthesis and Properties of Boron-doped Diamond

Film

ABSTRACT

This paper uses a hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) Preparation of boron-doped diamond (BDD) film electrode, then on boron-doped diamond thin film growth characteristics of in-depth research and careful analysis. Then boron-doped diamond electrode preparation we get, using SEM, Raman spectroscopy, XRD and other means to characterize the microstructure of boron-doped diamond of its structure, and studied the Hall effect analysis BDD electrode sheet resistance BDD Electrodes, BDD electrode impedance analysis, dynamic analysis BDD electrodes and electrode potential window analyzed by cyclic voltammetry.

Experiments show: the experiment is made of good quality boron-doped diamond film electrodes. And then found its specific capacity is relatively large, it can be used for its excellent electrochemical properties of the electrode material testing.

Key Words:Boron-doped diamond HFCVD Electrochemical Hall effect

目录

第一章绪论 (1)

1.1金刚石的晶体结构 (1)

1.2金刚石的性质及应用 (2)

1.3掺硼金刚石的应用 (2)

1.4BDD电极的性质及应用 (3)

1.5本文的工作内容 (5)

第二章实验部分 (7)

2.1设备介绍 (7)

2.1.1 气路系统 (7)

2.1.2 真空系统 (7)

2.1.3 水循环系统 (7)

2.1.4 电源系统 (8)

2.1.5 偏压电源系统 (8)

2.2BDD电极的制备工艺 (8)

2.3BDD电极的电化学分析方法 (11)

第三章掺硼金刚石膜的生长特性研究 (13)

3.1BDD的生长速率的影响 (13)

3.2BDD电极扫描电子显微镜（SEM）分析 (13)

3.3BDD电极的R AMAN光谱分析 (14)

3.4BDD电极X射线衍射(XRD)分析 (15)

第四章掺硼金刚石膜的电化学特性研究 (17)

4.1BDD电极的HALL效应分析 (17)

4.2BDD电极的充放电性能分析 (17)

4.3BDD电极的阻抗分析 (18)

4.3.1 交流阻抗法 (18)

4.3.2 阻抗分析 (18)

4.4BDD电极的动力学分析 (19)

4.5 BDD电极的电势窗口分析 (20)

4.5.1 循环伏安法 (20)

4.5.2 电势窗口分析 (20)

第五章总结 (23)

参考文献 (24)

致谢 (26)

第一章绪论

1.1 金刚石的晶体结构

金刚石被称为钻石，是一种无色晶体，它是由碳元素组成，为目前已知最硬物质。金刚石排列建立在其三维有序的情况下的，而最关键的是在其能够让每个方向都有能够承受力的能力应该是四个以正四面体角分布范围的共价键结合，结合上其适当的共价键结合强度，刚好将每个碳原子稳定的固定在相应的位置上。

原子晶体包含很多，金刚石晶体为其中典型一种，碳原子是构成这种晶体的基础。金刚石共价键的形成方式，每一个碳原子都以sp3杂化轨道与4个碳原子构成，构成了正四面体，键长：1.55×10-10m，键角：109°28′。晶格中心含有碳原子，边界顶点上出着4个碳原子，在空间构成连续的且坚实的骨架结构[1]。因此，把整个晶体作为一种分子。因为碳—碳共价键的键能大，晶体中无自由电子，共价键的形成时，每一个价电子都参与了，所以金刚石是自然界中最坚硬的物质，熔点高达华氏6900度，并且不导电。

在金属材料分析中，以前常用的电极的性能不理想，因此研究人员转移视线到了金刚石电极。金刚石含有诸多的物理性质，这主要取决于它独特的结构性质。每个碳原子通过共价键的杂化轨道的形成和相邻的碳原子共价键的饱和，金刚石立方晶格为面心立方结构，每个初级细胞基质共两原子，它的晶格结构可认为是2个相互错开1/4对角线的面心立方格子套构而成的，每一个原子有4个原子最相邻与12个次相邻原子，摄氏25度下，3.56688 Å为单个晶胞尺寸，8为单位晶胞中含有的原子数[2]。

在金刚石结构中，C－Cσ键两个碳原子之间的键长决定金刚石晶体具有高硬度，高弹性模量和优异的力学性能，加上σ电子位于C－C 键中，键位改变比较困难，想要激发出来是非常困难的，从而解释了没有掺杂的金刚石通常是不导电的，所以不容易吸收光子。因此金刚石的绝缘性和透明度是非常好的，具有宽禁带、化学稳定性好等特点。

正是因为拥有这些特异结构，金刚石反映出来很多的优异性能，主要表现在以下几个方面：第一，在动力学这方面，不仅金刚石的硬度为非常高，而且拥有非常高的杨氏模量和弹性膜量；

第二，在电学性能方面，不仅金刚石含有很高的宽禁带，而且高的电子和空穴迁移率也明显体现，所以在高的温度作用下电子的跃迁几率也是比较小。由于金刚石的种

种特意的性质，因而它是一种理想度相对好的高可靠性的半导体新材料，也同样

表现出了优良的抗辐射性能。

第三，在热学性质方面，不仅金刚石的热导率是很高的，而且，热膨胀系数较接近于较接近于制作电子器件的热膨胀系数。所以，是半导体器件的理想散热材料。

第四，光学性能，由于金刚石的特性，导致其是一种理想的高能量密度材料，而且含有耐