纳米金刚石薄膜微观结构和场发射性能研究(2)
1.2金刚石薄膜的结构和特性
1．2．1金刚石的结构
金刚石的晶体结构是面心立方晶胞。其晶格常数在298K时为0.356683nm。碳原子除位于立方体晶胞的角顶及面中心外，把此立方体晶胞划分成八个小立方体。则在相间排列的金刚石的晶体结构具立方面心晶胞。碳原子除位于立方体晶胞的角顶及面中心外，把此立方体晶胞划分成八个小立方体。则在相间排列的小立方体中心还存在着碳原子(见图1.1)。从图1.1可以看出，每一碳原子周围有四个碳原子围绕，形成四面体配位，整个构造可视为以角顶连接的四面体组合(图1.1)。碳原子问以共价键连结。由于正四面体中心碳原子的价键取向与顶角上的碳原子不同，这使得立方体的顶角及其面心上的碳原子的周围情况与对角线上四个碳原子不同。因此，金刚石虽然由碳原子一种原子构成和1.1%的12C，但是它的结构是个复式格子，是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度套构而成。
图1.1 为金刚石的晶体结构
1．2．2金刚石的性质
（1）金刚石的力学性质
金刚石是自然界最硬的材料[1]，摩擦系数接近聚四氟乙烯，是耐磨性最好的材料，这种高硬度和高耐磨性使金刚石成为很好的工具材料，可作为各种工具和刃具的耐磨涂层和真空条件下需要的干摩擦材料。由于其低摩擦系数和导热性好、散热快的特性，它可用作宇航高速旋转的特殊轴承。此外金刚石具有很高的杨氏模量和弹性模量，弹性模量是钢的5-7倍，是制作表面压力传感器的理想材料。
（2） 金刚石的电学性质[2，3]
金刚石具有优异的电学性质，禁带宽度高达5.5eV，比常用的半导体硅材料的禁带宽度高5倍左右，仅次于立方氮化硼的禁带宽度(6.6eV)。它的击穿电压(107一108V/cm)比Si和GaAs高两个数量级。它还具有很高的电子、空穴迁移率，特别是它的空穴迁移率是Si的4倍。它还具有高的电子饱和速度、小的介电常数等等、它的约翰逊(Johnson)指标(EbVsat/2π)和Keyse指标[σT（Vsat/K）]1/2均高于Si和GaAs十倍以上，这两个指标是衡量大功率高频器件应用和高频、高压开关、高集成度应用性能的重要参数。由于掺杂诱导的半导体性质，使其成为制作高温半导体器件的理想材料，并有可能代替Si材料成为新一代半导体材料。此外，金刚石还具有低的负电子亲和势，因而可以利用金刚石薄膜制造冷阴极电子发射器件和平板显示器件[4]。
（3） 金刚石的热学性质
金刚石是目前已知的材料中热导率最高的材料，同时由于其兼有热膨胀系数低，良好的电绝缘性，使其成为集成电路基片的散热材料，目前金刚石膜热沉材料己经在国内外得到实际应用。
（4） 金刚石的光学性质
由于sp3键没有偶极矩，金刚石具有少见的宽光谱透过特性。除了在红外区的1.8µm-2.5µm波段外，从吸收端紫外区的225nm到红外区的25µm波长范围内，金刚石都具有高的透过率，并且其折射率高。这些特性使其在大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料、太阳能电池的防反射膜、光学透镜的保护膜等方面得到具体应用[5]。
（5） 金刚石的化学性质
金刚石具有好的化学稳定性[6，7]，室温时抗所有酸、碱及溶剂腐蚀，即使在高温时，也抗所有的酸腐蚀。427℃时熔融的硝酸钠可腐蚀金刚石表面，NaClO4等强氧化剂可在更低的温度下刻蚀金刚石，625℃时，金刚石在原子氧(o)中表面变黑。720℃在纯氧中燃烧，850℃在空气中燃烧。一句话概括，除高能量粒子外，在1000℃以下，只有强氧化剂才能有效地腐蚀金刚石。在更高的温度下，有两类物质可腐蚀金刚石，一类是易形成碳化物的物质，如W，Ta，Zr，Ti等，另一类可溶解碳，如熔融的Ni，Fe，Co，Mn，Pt等。进一步地提高温度，02、CO、CO2、H2、H2O和Cl2也可以刻蚀金刚石。在真空中，1500℃以上金刚石开始向石墨转变。