Рост алмаза и графита из газовой фазы - Дерягин Б.В.
Скачать (прямая ссылка):
Иначе обстоит дело с блокированием граней алмаза выделяющимся графитом, образующим на них трехмерные зародыши одинаково растущие как в толщину, так и в направлении граней. Образующиеся трехмерные зародыши графита, в отличие от двухмерных зародышей алмаза, не способны замостить грань одноатомным слоем графита, поэтому блокирование каждой грани происходит под совокупным действием кристаллических зародышей графита, последовательно образующихся и растущих на ней бок 6 бок. Вследствие этого время, по истечении которого процесс блокирования практически прекращает или в определенной степени замедляет эпитаксиаль-ный рост алмаза, не зависит от размера кристалла и не укорачивается с его увеличением. Отсюда понятно, почему в наших опытах с большими кристаллами (3—4 мм) можно было получать большую линейную скорость роста, чем для порошков.
На ранних стадиях кристаллизации из газа заметно проявляется эффект декорирования, т. е. фиксации деталей строения поверхности реального кристалла. На рис. 54 показано автодекорирование выросшим алмазом поверхности затравочного кристалла алмаза на начальной стадии кристаллизации. При дальнейшем росте появляются отдельные островки новой фазы (рис. 55, а), которые затем, сливаясь, образуют сплошной фронт кристаллизации (рис. 55, б).
Чтобы увеличить скорость роста алмаза, необходимо удалять графит. Травителем для селективной газификации графита может
Рис. 54. Автодекорированне поверхности алмазного монокристалла на начальной стадии кристаллизации (X 100 ООО)
99
служить водород. Как было показано в предыдущей главе, разбавление углеродсодержащего газа водородом сильно уменьшает скорость роста графита, но почти не отражается на скорости роста алмаза. Также известно, что водород хорошо травит графит при давлениях до 50 атм и температуре 1000° С [45]. Однако можно предположить, что на графит действует именно атомарный водород. При повышении давления молекулярного водорода концентрация атомарного водорода увеличивается пропорционально корню квадратному из общего давления. Поэтому для газификации используют высокие давления. Однако можно каталитически [88] или с помощью электрического разряда [89] создать сверхравновесную концентрацию атомарного водорода. Так, в работе [48] для удаления графита с алмазных порошков использовался атомарный водород, генерируемый нагретой вольфрамовой нитью.
Соединение в одном реакторе двух процессов — роста алмаза (и графита) из углеродсодержащего газа и каталитического получения атомарного водорода в непосредственной близости от затравочного монокристалла алмаза — позволило авторам совместно с Н. Д. Полянской получить и исследовать структуру достаточно толстых эпитаксиальных алмазных пленок.
Структурные исследования, проведенные с помощью дифракции медленных электронов под малыми углами, позволили создать следующую картину роста. Первоначально растет слой совершенного монокристалла (рис. 56, а), затем его структура ухудшается и наряду с монокристаллическими участками растет поликристаллический алмаз (см. рис. 56, б). На следующей стадии растет как алмаз, так и графит, причем алмаз сохраняет монокристальную структуру, что видно по линиям Кикучи, которые часто бывают двойными вследствие наследования двойниковой структуры кристалла-затравки. Далее растет поликристаллический алмаз совместно с графитом и наконец один графит (см. рис. 56, в). Ниже приведены результаты расчета и табличные значения межплоскостных расстояний на стадии, соответствующей рис. 56, а:
^эксп' А 2,05 1,27 1,073 0,837 0,814 0,721 0,631 0,598 0,557 <*твбл, А 2,05 1,26 1,072 0,835 0,813 0,721 0,680 0,597 0,558
Некоторые свойства алмазных эпитаксиальных пленок изучены в работах [90]. Микротвердость алмазных пленок измерялась методом вдавливания трехгранной алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3. Глубина вдавливания составляла 1 мкм. Измеренная величина микротвердости равнялась 9500 ± 400 кГ/мм2, что соответствует данным для природного алмаза.
Элементный состав пленок по данным микрорентгеноспектраль-ного анализа, проведенного на приборе МБ-46 («Камека»), отвечает содержанию углерода 99,5 ± 0,5%. Плотность пленок синтетического алмаза, определенная по скорости флотации для трех образцов, оказалась равной 3,29 ± 0,04 г/см3. Показатель преломления-
101
измеренный по полоске Бекке в иммерсионных средах сера—селен, составил 2,38 ± 0,02 против 2,40 для природного алмаза.
Все эти результаты позволяют утверждать, что методом эпитак-сиального синтеза возможно получение алмазных пленок, по свойствам максимально близких к природным алмазам.
2. Импульсный способ наращизания алмаза
Импульсный способ наращивания алмаза [91] был предложен в 1967 г. Он преследовал две цели: избавиться от выделения графита и сделать поверхность алмазного кристалла как можно более активной. Первая цель достигается созданием периодического импульсного пересыщения, вторая — повышением температуры поверхности затравки до 2000° К. При создании импульсов пересыщения и пауз между ними образование и рост алмаза и графита будут протекать различно. Во время импульса пересыщения образуются критические зародыши алмаза и графита. Однако при этом зародыши алмаза продолжают уже имеющуюся подложку (автоэпитаксия!) и будут двухмерными. Зародыши графита, выросшие на чужеродной подложке, трехмерны уже в силу необходимости создания новой фазы. Работа образования трехмерных зародышей всегда больше работы образования двухмерных; кроме того, надо учесть, что некоторые грани алмаза, например (100), могут расти без образования критического зародыша вообще. Поэтому число критических зародышей алмаза много больше числа критических зародышей графита.
