纳米结构金刚石基板上单晶二氧化钛薄膜的低温制备与特性研究

An investigation on low temperature fabrication of single crystal titanium dioxide thin films on nano-structured diamond substrates will be done in this project. It is very necessary to search after a new technology of depositing high quality film materials at the low temperature and without depending substrate materials. High-quality diamond films will be prepared by using microwave plasma chemical vapor deposition (MWPCVD) methods. Based the self-assembled theory, post-treatment and additional growth for diamond films will be carried out by magnetron sputtering and MWPCVD, and nano-structured diamond substrates will be fabricated. High preferred orientation or single crystal TiO2 films will be prepared on the nano-structured diamond substrate by magnetron sputtering. Influences of the various experimental parameters on the film structure phase transition and crystalline orientation will be researched, and the study of the electrics and optics properties of diamond\TiO2 composite system will be done. The growth mechanism of single crystal titanium dioxide thin films deposited on nano-structured diamond substrates and the electron transfer properties of diamond\TiO2 composite system will be theoretically explored. At last, diamond\TiO2 composite system with excellent electrics and optics properties will be obtained by optimizing experimental conditions.

本项目开展纳米结构金刚石衬底上单晶TiO2薄膜的低温沉积研究，对探索低温、不依赖基板材料制备高质量薄膜的新技术是十分必要的。利用微波等离子体化学气相沉积（MWPCVD）方法，制备高品质的金刚石薄膜；利用磁控溅射和MWPCVD技术，基于自组织化原理，对金刚石薄膜进行后处理和追加生长，制作纳米结构（针状、柱状）的金刚石衬底；利用磁控溅射技术在纳米结构金刚石衬底上制备高度择优取向或单晶TiO2薄膜。研究各实验参数对二氧化钛薄膜结构相变、结晶取向的影响；研究diamond\TiO2复合系统的光学性质和电学性质；理论上探究纳米结构金刚石衬底上单晶二氧化钛薄膜的生长机理和Diamond\TiO2复合系统的电子输运特性。最终优化实验条件，制备出电学、光学性质俱佳的Diamond\TiO2复合材料。

高温是提高薄膜结晶质量的必要条件，但是，较高的温度容易使多层结构器件产生界面崩溃、杂质扩散、缺陷形成等问题，经过高温制备的薄膜电子器件，性能质量可能下降。因此，探索低温制备高质量薄膜的新技术是必要的。金刚石薄膜是一种可在高温、高辐射以及恶劣化学环境中使用的极为理想的电子材料，但是制备n型金刚石薄膜较困难。TiO2薄膜具有高折射率、高介电常数、半导体特性和高化学稳定性，且制备n型的TiO2薄膜较为容易，因此，通过这两种宽带隙材料的结合，或许会提高单一材料的光学和电学性能。磁控溅射方法易于控制，且重复性相当好，又能在低温下制备出结晶良好的薄膜材料。因此开展纳米结构金刚石衬底上TiO2薄膜的磁控溅射研究，对探索低温、不依赖基板材料制备高质量薄膜是十分必要的。. 本项目利用微波等离子体化学气相沉积装置，通过后处理和追加生长等手段，制备出了顶面尺寸大小约为20-300nm的纳米柱状的金刚石衬底。利用直流磁控溅射法，室温下在金刚石纳米柱上制备出了金红石型TiO2单晶薄膜。金红石TiO2（110）面平行于金刚石纳米柱（100）面生长，金红石TiO2（100）面平行于纳米柱（101）面生长。随着紫外光照射强度的增加，diamond\TiO2复合系统的光电流增加，阈值电压降低；照射面积越大，光电流越强；随着电压的增加，光电流增强，暗电流随着电压的增加没有明显变化。第一性原理计算表明，TiO2薄膜在金刚石纳米柱衬底上呈岛状生长模式，TiO2原子首先沉积在金刚石纳米柱（100）面上，逐渐形成TiO2团簇，从而形成岛，岛通过进一步沉积而增大尺寸，彼此靠近最终成膜。. 本项目的研究不但对研制新型的半导体异质结器件具有一定的指导意义，而且，可望为移动设备领域中需求的、不能在高温下制作的柔性显示器等提供一定的技术支持。本项目的研究，还对氧化物半导体复合薄膜的可控制备与物性调控研究具有一定的参考价值。