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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：2597

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

什么是金剛石薄膜？

金剛石薄膜是20世紀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、乙炔等碳氫化合物為原料，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，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生長而成。

幾乎透明的金剛石薄膜

（圖片來源：網(wǎng)絡）

集諸多優(yōu)點于一身的金剛石薄膜，它不僅具有金剛石的硬度，還有良好的導熱性、良好的從紫外到紅外的光學透明性以及高度的化學穩(wěn)定性。在半導體、光學、航天航空工業(yè)和大規(guī)模集成電路等領域擁有廣泛的應用前景。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)保護涂層等應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？

當然有！

拉曼光譜用于碳材料的分析已有四十多年，時至今日也形成了很多比較完善的理論。對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，拉曼光譜測試是非破壞性的，對樣品沒有太多要求，不需要前處理過程，可以直接檢測片狀、固體、微粉、薄膜等各種形態(tài)的樣品。

拉曼光譜檢測方法

測試儀器：安東帕Cora5001拉曼光譜儀

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

下圖是安東帕Cora5001拉曼光譜儀檢測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，也能夠觀測到其他很多拉曼譜峰，典型譜峰的位置和指認如表1中所示。

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

表1：金剛石薄膜譜峰位置以及指認

結論：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推導出應力值，還可以根據(jù)譜圖分析摻雜情況，用于綜合評價金剛石薄膜的產(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中具備很大優(yōu)勢：

碳材料分析模式：智能分析軟件中的Carbon Analysis Model可以自動進行尋峰、進行峰形擬合，再計算碳材料特征拉曼峰的信息。
一級激光：金剛石材料的拉曼檢測多使用532nm激發(fā)，有時也需要使用785nm激光激發(fā)，Cora5001可以做到一級激光的安全性能。
自動聚焦：Cora5001 （Direct）樣品倉室內(nèi)配置了自動聚焦調(diào)整樣品臺，根據(jù)儀器自帶的聚焦算法可以輕松實現(xiàn)聚焦，使拉曼測試變得簡單便捷。
雙波長可選：金剛石家族的拉曼光譜與入射激光波長密切相關，多一種波長選擇也許會得到不同的信息，這為信息互補提供必要條件。“雙波長拉曼”每個波長都配置獨立的光譜系統(tǒng)，只需按一下按鍵即可從一個波長輕松切換到另一個波長，無需額外調(diào)整樣品。