[发明专利]一种硼掺杂纳米金刚石薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硼掺杂纳米金刚石薄膜及其制备方法。

背景技术

金刚石薄膜具有优异的物理性能和极高的应用价值，在金刚石薄膜生长过程中掺入硼杂质，可以得到具有良好导电性能的p型金刚石膜。这种p型金刚石薄膜可以用作电学器件和电极材料等。硼掺杂微晶金刚石薄膜（指金刚石晶粒尺寸在微米级）制成的电极具有很宽的电化学窗口、很低的背景电流、很高的化学和电化学稳定性、低吸附和抗污染等优点。

纳米金刚石薄膜是由纳米金刚石晶粒和非晶碳晶界组成的复合薄膜，它除了具有常规金刚石的优异性质外，还具有表面光滑、比表面积大等特点，在其中掺入硼杂质可望获得比硼掺杂微晶金刚石薄膜更优异的电学和电化学性能，在纳米电子器件和电极材料等方面有较好的应用前景。但是，纳米金刚石薄膜中存在大量晶界和缺陷，在薄膜的化学气相沉积过程中，硼趋于优先进入晶界位置，使得纳米金刚石晶粒中的硼含量较低，因此纳米金刚石晶粒对导电的贡献较小；并且薄膜的非晶碳晶界中含有大量与氢有关的反式聚乙炔(transpolyacetylene)，降低了薄膜的电导率和迁移率。因此，硼掺杂纳米金刚石薄膜的电阻率较掺入相同硼浓度的微晶金刚石薄膜高，载流子迁移率低，这较大地影响了它的电学性能和电化学性能，使其p型导电性能和电化学性能较掺入相同硼浓度的微晶金刚石薄膜差。

发明内容

针对硼掺杂纳米金刚石薄膜的p型导电性能和电化学性能较掺入相同浓度硼的微晶金刚石薄膜差的问题，本发明对化学气相沉积制备得到的硼掺杂纳米金刚石薄膜进行后处理，有效地提高了薄膜的p型导电性能和电化学性能。采用的技术方案是：

一种硼掺杂纳米金刚石薄膜的制备方法，所述的方法包括以下步骤：

（1）采用化学气相沉积法，在单晶硅衬底上制备硼掺杂纳米金刚石薄膜前体；

（2）将步骤（1）制备得到的硼掺杂纳米金刚石薄膜前体在800~1200℃下真空退火30~60分钟，制得所述硼掺杂纳米金刚石薄膜。

本发明还提供一种硼掺杂纳米金刚石薄膜，所述硼掺杂纳米金刚石薄膜按以下方法制备得到：（1）采用化学气相沉积法，在单晶硅衬底上制备硼掺杂纳米金刚石薄膜前体；（2）将步骤（1）制备得到的硼掺杂纳米金刚石薄膜前体在800~1200℃下真空退火30~60分钟，制得所述硼掺杂纳米金刚石薄膜。

所述真空退火通常在相对真空度为3~10mmHg（优选5mmHg）下进行退火。

更具体的，所述步骤（1）按以下步骤进行：在单晶硅衬底上，采用化学气相沉积设备，以丙酮为碳源，B₂H₆为硼源，硼浓度为500~5000 ppm，采用氢气鼓泡方式将溶有硼源的丙酮带入到反应室中，反应温度600~700℃、反应时间为5~6小时，在单晶硅衬底上制备得到厚度为1～15μm的硼掺杂纳米金刚石薄膜前体。

本发明在纳米金刚石薄膜中掺入不同含量的硼杂质，并对硼掺杂纳米金刚石薄膜进行真空退火处理，使沉积在晶界上的硼扩散进入到纳米金刚石晶粒中，提高纳米金刚石晶粒的电导率；真空退火去除薄膜晶界中的反式聚乙炔，提高非晶碳晶界的导电能力，从而全面提高硼掺杂纳米金刚石薄膜的电导率，改善薄膜的电化学性能。本发明对提高纳米硼掺杂金刚石薄膜的导电性能和电化学性能及实现其在纳米金刚石电学器件的制作和废水处理等方面的实际应用具有十分重要的科学意义和工程价值。

本发明所述退火使薄膜中非晶碳晶界上的反式聚乙炔及晶界含量大大减少，位于晶界上的硼扩散进入到纳米金刚石晶粒中。

本发明提供的硼掺杂纳米金刚石薄膜呈p型电导。 

本发明提供的硼掺杂纳米金刚石薄膜可应用作为电化学电极，电化学窗口为2.4~3.1V，析氧电位为和1.7~2.3V，对苯酚的氧化峰电流密度可达2.12 mA/cm²。

本发明与申请号200910155306的《一种n型纳米金刚石薄膜及制备方法》相比，现有技术是采用离子注入方法，在纳米金刚石薄膜中注入磷、氧等，经过退火后，获得导电类型为n型的纳米金刚石薄膜。本发明是针对在化学气相沉积过程中掺硼后的纳米金刚石薄膜的p型导电性能和电化学性能，通过对化学气相沉积制备得到的薄膜进行真空退火处理，来提高它的p型导电和电化学性能。虽然都使用了退火，但本发明是针对硼掺杂纳米金刚石薄膜的p型导电性能和电化学性能，利用退火使得聚集在纳米金刚石晶界上的硼扩散进入到纳米金刚石晶粒中，并去掉晶界上的反式聚乙炔，提高其p型导电和电化学性能。