Si衬底上金刚石薄膜成核和生长的量子化学研究.pdfVIP

Si衬底上金刚石薄膜成核与 生长的量子化学研究+ ‘宋雪梅王波陈光华严辉周志刚6 北京工业大学材料学院 4北京工业大学环境化学系 北京 100022 摘要本文设计了si(111)衬底表面金剐石薄膜成核与生长中nr能的反应途径，采用量子化学半经验分子轨 道方法计算r该途径中各步反应的能量变化及势垒。结果表明成核期si基表面的脱氢势垒与生长期c基表 面的脱氡势垒相差不多，而成核期si基表面加甲基的反应势垒明显高于生长期c基表面加甲基的反应势垒a 计算结果能够很好的解释汽相沉积法制备金刚石薄膜的过程中，成核期与生长期中cH4相对含量变化的实 验结果。 关键词金刚石薄膜分于轨道方法势垒 1 引 言 金刚石具有优异的物理化学一陛质，特别是金刚石薄膜作为新型的高温半导体材料，引起 人们的极大兴趣并受到普遍关注。目前，汽相沉积法制备金刚石薄膜己成为普遍采用的方法， 随着基础研究的深层次发展、如何在Si衬底上均匀和快速成核就成为金刚石薄膜应用于电 子器件的一个急需解决的关键问题。在过去的研究中，有人应用原子力显微镜和扫描隧道显 微镜探究了金刚石的成核过程，并且为了发展和完善金刚石成核模型，也用到了动力学分祈 方法。然而，人们对这一过程的了解仍然非常有限。我们注意到，近年来已有人用量子化学 从头算和半经验分子轨道方法来研究金刚石薄膜的生长过程h”，然而应用该方法研究金刚石 薄膜成核过程的工作还相当缺乏。 在本项：丁=作中，我们以Si(111)为衬底，建立了双层Si原子簇上金刚石成核的基本模型， 以甲烷和氢气为反应气体．设计了一种可能的反应途径，采用半经验分子轨道方法计算了各 步反应的能量变化和势垒。 2计算方法 在金月Ⅱ石薄膜成核与生长机制的研究中，表面脱氢与加碳基，对于采用c耳十H：为反应 气体的汽相沉积初期成核过程，我们设计了如下反应途径： SiaH+H_si；+H2 (1) si：÷CH3_sjdCH， (2) SidCHj+H—sidCH；+H2 (3) SidCH；+CH3叫sidCH2CH， (4) SidCH2CH3+H———÷sidcH2cH；+H。 (5) SidCH2CH；+CH3叫sidCH2CH2CH3 (6) (7) ·北京市科技薪星计划资助项目 623 表示脱掉～个氢之后的Si原子，sid’表示si表面 环原子簇模拟si(111)表面，采用全优化参量的 方法计算各稳态分子，用Saddle方法计算各步反 应的过渡态。全部计算均使用MOPAC6．0程序包 H一深色原子；Si--浅色原子 中的PM3方法实现。 图1 Si，。I{。两环原子簇模拟Si(111)表面 3结果与讨论 表1列出了计算得到的各步反应的势垒值，我们注意到反应(3)和反应(5)中的脱氢 基势垒。