化学气相沉积与纳米管

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1、第七讲、化学气相沉积与碳纳米管主要内容：化学气相沉积技术碳纳米管的制备WhatistheDeposition?GasLiquidSolidCondensationVaporizationDepositionFreezingMeltingSublimationWhatistheChemicalVaporDeposition?化学气相沉积是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上生成固态沉积物的技术。20世纪60年代由美国科学家JohnMBlocherJr等人首次提出古人类在取暖和烧烤时熏在岩洞壁或岩石上的黑

2、色碳层古代从事炼丹术的“术士”或“方士”为寻找“成仙”或“长生不老”之药而普遍采用的“升炼”法砷化镓一类的光电晶体，基本上就是采用“升炼”方法制得化学气相沉积的基本原理化学气相沉积是利用气态物质在一固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的过程。所用反应体系要符合下面一些基本要求：反应原料是气态或易于挥发成蒸气的液态或固态物质。反应易于生成所需要的沉积物而其它副产物保留在气相排出或易于分离。整个操作较易于控制化学气相沉积的特点化学气相沉积的反应类型热分解反应氢还原反应氧化反应化学输运反应其它化学反应物理方法激

3、励反应过程把所需要的物质当做源物质，借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化合物，这种气态化合物经化学迁移或物理载带（用载气）输运到与源区温度不同的沉淀区，再发生逆向反应，使得源物质重新沉淀出来，这样的过程称为化学输运反应。上述气体介质叫做输运剂在低真空条件下，利用直流电压、交流电压、射频、微波或电子回旋共振等方法实现气体辉光放电在沉积反应器中产生等离子体。由于等离子中的正离子、电子和中性反应分子相互碰撞，可大大降低沉积温度。激光技术的应用等等。影响化学气相沉积产物的主要参数一、反应体系的成分二、气体

4、组成三、沉积温度四、衬底组成五、系统内总压和气体总流速（封管法、开管法、和减压法）六、反应体系装置的因素七、源材料纯度atmosphericpressurechemicalvapordeposition(APCVD)lowpressurechemicalvapordeposition(LPCVD)plasmaassisted(enhanced)chemicalvapordeposition(PACVD,PECVD)photochemicalvapordeposition(PCVD)laserchemica

5、lvapordeposition(LCVD)metal-organicchemicalvapordeposition(MOCVD)SeveralTypesofChemicalVaporDeposition化学气相沉积的装置几种开口体系CVD装置化学气相沉积的装置几种开口体系CVD装置化学气相沉积的装置闭口体系CVD装置化学气相沉积的装置低压化学气相沉积装置化学气相沉积的装置热壁化学气相沉积装置化学气相沉积的装置射频辅助化学气相沉积装置化学气相沉积装置的加热方式化学气相沉积的源物质几种常见的源物质一、气态源

6、二、液态源一种是该液体的蒸气压即使在相当高的温度下也很低，这就必须用一种气态反应剂与之反应，形成气态物质导入沉淀区；二是液态物质在室温或稍高一点的温度下，有较高的蒸气压，一般用载气流过液体表面或在液体内部鼓泡，然后携带这种物质的饱和蒸气进入反应系统。三、固态源或低蒸气压液态源化学气相沉积中气态物种的输运化学气相沉积，不论采用什么样的反应体系和装置，气态物种的输运是必不可少的过程。气体输运的驱动力是系统中各部分之间存在着的压力差、分压或浓度梯度和温度梯度，这种差异驱使气体分子定向流动、对流或扩散，实现了气态

7、反应物或生成物的转移。这些过程不仅决定着沉积的速率，而且对沉积机理和沉积层质量有显著的影响。表征气体输运性质的参数：粘度系数扩散系数化学气相沉积系统的热力学探讨化学气相沉积的物理化学实质，首先要进行沉积过程的热力学分析。这就是运用化学平衡的计算，估算沉积体系中与某特定组分的固相处于平衡的气态物种的分压值，用以预言沉积的程度和各种反应参数对沉积过程的影响。研究过程：1）列出系统中各物种间的化学反应和相应的化学平衡方程式2）列出体系本身特有的质量守恒方程式3）采用相应的计算技术计算，将计算的结果和已有的实验结

8、果相比较，对沉积的机理进行推断，进而选择最佳的沉积参数。化学气相沉积系统的动力学沉积物的生长速率和质量由沉积过程的物理化学本质及沉积条件所决定。沉积过程动力学的基本任务就是通过实验，研究沉积物的生长速率、质量与沉积参数的关系。实验参量对控制沉积机制的作用：1）沉积温度2）气体流速3）结晶学取向4）衬底的几何取向5）反应剂分压6）表面积实验参量对不同控制机制的作用化学气相沉积的表面过程及沉积机理气－固转化晶体生长的过程可以归结为