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“曼”談光譜 | 熟悉又陌生的金剛石薄膜

安東帕 2021-07-16 | 閱讀：2072

一提到金剛石這個(gè)詞想必大家都不陌生了，今天要說(shuō)的也是金剛石家族的一個(gè)成員——金剛石薄膜。

什么是金剛石薄膜？

金剛石薄膜是20世紀(jì)80年代中后期迅速發(fā)展的一種優(yōu)良的人工制備材料。通常以甲烷、乙炔等碳?xì)浠衔餅樵?，用熱燈絲裂解、微波等離子體氣相淀積、電子束離子束轟擊鍍膜等技術(shù)，在硅、碳化硅、碳化鎢、氧化鋁、石英、玻璃、鉬、鎢、鉭等各種基板上反應(yīng)生長(zhǎng)而成。

幾乎透明的金剛石薄膜

（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身的金剛石薄膜，它不僅具有金剛石的硬度，還有良好的導(dǎo)熱性、良好的從紫外到紅外的光學(xué)透明性以及高度的化學(xué)穩(wěn)定性。在半導(dǎo)體、光學(xué)、航天航空工業(yè)和大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。至今為止，已在硬質(zhì)切削刀具、X射線窗口材料、貴重軟質(zhì)物質(zhì)保護(hù)涂層等應(yīng)用中具有出色的表現(xiàn)。

隨著金剛石薄膜的研發(fā)需求和生產(chǎn)規(guī)模不斷壯大，是否有一套可靠的表征方法呢？

當(dāng)然有！

拉曼光譜用于碳材料的分析已有四十多年，時(shí)至今日也形成了很多比較完善的理論。對(duì)于不同形式的碳材料，如金剛石、石墨、富勒烯等，其拉曼光譜具有明顯的特征譜線差異。

此外，拉曼光譜測(cè)試是非破壞性的，對(duì)樣品沒(méi)有太多要求，不需要前處理過(guò)程，可以直接檢測(cè)片狀、固體、微粉、薄膜等各種形態(tài)的樣品。

拉曼光譜檢測(cè)方法

測(cè)試儀器：安東帕Cora5001拉曼光譜儀

金剛石薄膜的應(yīng)力值是非常重要的質(zhì)量指標(biāo)。金剛石薄膜和基體之間熱膨脹的差異以及其他效應(yīng)（如點(diǎn)陣錯(cuò)配、晶粒邊界的成鍵和薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中的成鍵變化等）導(dǎo)致了生長(zhǎng)后的薄膜存在殘余應(yīng)力。典型可見(jiàn)光激光激發(fā)的拉曼光譜在1000-2000cm-1包含了金剛石薄膜的應(yīng)力信息。對(duì)于較小的應(yīng)力，拉曼譜圖表現(xiàn)為偏離本征頻率的一個(gè)單峰，并且譜峰會(huì)變寬。在高達(dá)140GPa的壓力下，拉曼位移甚至能夠偏移到1650cm-1，與此同時(shí)線寬增加了2cm-1。

下圖是安東帕Cora5001拉曼光譜儀檢測(cè)的一張典型的非有意摻雜的金剛石薄膜的拉曼譜圖。

圖中可以發(fā)現(xiàn)，除了位于1332cm-1的一階拉曼譜線以外，也能夠觀測(cè)到其他很多拉曼譜峰，典型譜峰的位置和指認(rèn)如表1中所示。

峰位/cm-1	指認(rèn)
1100~1150	可能是反聚乙炔的C=C鍵伸展和扭動(dòng)模式造成的
1332	金剛石的一階拉曼譜線
1345	sp2無(wú)定形碳（D模）
1430~1470	可能是反聚乙炔的C=C鍵伸展和扭動(dòng)模式造成的
1520~1580	sp2無(wú)定型碳（G模）

表1：金剛石薄膜譜峰位置以及指認(rèn)

結(jié)論：根據(jù)金剛石薄膜的拉曼光譜，我們可以根據(jù)靜壓力模型并加以合適的校正算法來(lái)推導(dǎo)出應(yīng)力值，還可以根據(jù)譜圖分析摻雜情況，用于綜合評(píng)價(jià)金剛石薄膜的產(chǎn)品質(zhì)量。

安東帕Cora5001拉曼光譜儀

Cora 5001系列拉曼光譜儀在金剛石材料的檢測(cè)中具備很大優(yōu)勢(shì)：

碳材料分析模式：智能分析軟件中的Carbon Analysis Model可以自動(dòng)進(jìn)行尋峰、進(jìn)行峰形擬合，再計(jì)算碳材料特征拉曼峰的信息。
一級(jí)激光：金剛石材料的拉曼檢測(cè)多使用532nm激發(fā)，有時(shí)也需要使用785nm激光激發(fā)，Cora5001可以做到一級(jí)激光的安全性能。
自動(dòng)聚焦：Cora5001 （Direct）樣品倉(cāng)室內(nèi)配置了自動(dòng)聚焦調(diào)整樣品臺(tái)，根據(jù)儀器自帶的聚焦算法可以輕松實(shí)現(xiàn)聚焦，使拉曼測(cè)試變得簡(jiǎn)單便捷。
雙波長(zhǎng)可選：金剛石家族的拉曼光譜與入射激光波長(zhǎng)密切相關(guān)，多一種波長(zhǎng)選擇也許會(huì)得到不同的信息，這為信息互補(bǔ)提供必要條件?！半p波長(zhǎng)拉曼”每個(gè)波長(zhǎng)都配置獨(dú)立的光譜系統(tǒng)，只需按一下按鍵即可從一個(gè)波長(zhǎng)輕松切換到另一個(gè)波長(zhǎng)，無(wú)需額外調(diào)整樣品。