38.dvi

Û 22 Û 3 ± Ñ È Î Vol. 22, No. 3 2007 Đ 5 May, 2007 Æ Ð: 1000-324X(2007)03-0565-05 ÚØ ÏÐ«Û (µ± ³½» ² ¹¾ ¼ º µ± 150080) ĐÕ ÝÏ Û ¾ ²Ç Õ 190 600 C ²Ç ÕÓ ÇÅ Ó Linkam Ý Å ÌÉ Ï Ì ÅĐ½Å ± ½ ÅÛ È ÕÓ ÅÑÀÇ Ó ÅÌ Ñ Đ Õ ÝϾ Ó ² Ç Õ Æ Ó½ ÇÅ Ð 400 C, Å ÇÓŠº ½ÛÕ Ð 500 C, Ð 600 C, ÕÐ Ç Å Õ ÁÅ ²Ç ÕÓ½ ÓÀ Å À Õ º º Å Õ ²Ç ĐÕ ÝÏ Ç ÝÐ O484 Æ ß A Temperature-dependence of Microstructural Properties of Amorphous Diamond Films ZHU Jia-Qi, MENG Song-He, CHEN Wang-Shou, HAN Jie-Cai (Center for Composite, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China) Abstract: The temperature sensibility of amorphous diamond (a-d) films deposited with the filtered cathodic vacuum arc technology was investigated in the range of 190 600 C. The samples cooled by liquid nitrogen pump were in situ measured on a Linkam stage and the samples for thermal stability were heated in a furnace. The microstructure and mechanical properties were respectively examined by visible Raman spectroscopy and a nanoindenter. The results show that a-d films have better thermal stability in air, they can hold their hardness up to 400 C and hold their structure up to 500 C. However, the complete material loss takes place at about 600 C. Raman measurements show an apparent shift of the G-peak frequency to higher values with increasing annealing temperatures. The films are not sensitive to lower temperatures. The microstucture of the films remains stable as temperatures are decreased to 190 C. Key words amorphous diamond; filtered cathodic vacuum arc; temperature sensibility; Raman spectroscopy 1 ³ È º sp 3 Æ 50% Ü Ô² ³ÈÐ È Ö ³È ÔØ µæµ» µý È Ã ÀÔ ÈÜ Å Ô ÈÖÊ ÔÈÐ Ú Ç Ô Ã Đ ³ Ç Ô [1 3]. ³È ÖÚ Ö»µ ÔÝ Î Á ¾Ð µô Á ¼ ² ¾ ÐÈ ³È ¾Ü ÈÖ Ü Ø»ÈÔʾ Ô Æ ³È Ö Ø ½Ô ÆÈÐÔ Æ 2006 06 25, Æ2006 07 19 ÓÙ ĐÆ Å³ Ü Ù (41312040401); 863 Ü Ù (2002AA305507); Àº¼Ï (50602012); ³ ºÒ Ï É Â Ü (HITQNJS.2006.026) Ô Æ ÐÌ (1974 ), Þ «E-mail: zhujq@hit.edu.cn

566 ± Ñ È Î 22 ÐÈ Æ Ð Ö ÀÔ Ò ÐÖ Â Ô ² µ ¾Ü Ú µ Ö Ô ¹Ð ÖÔ ÆÆË Å ³È Ö Ð±ÈÔ Æ [4].»È ³È Ö Ô¾ ÐÈ Í Ê Ö Ô Á Ô ÐÈ 2 2.1 ³ È Ö «Ö Þ ºÅ ºÅ¼ [2]. Ö Ù p Ä (100) ºµ ¾ µ Ì 10min, ÞÍ Í ¹ Ð Ç» 2.67 10 4 Pa, Ü 8sccm Ô Í ÖÆ µî Í Kaufman ÎÍ Þ Ò 1100eV Ô Ð Æ Ë 5min.» Í Ó ÒÁ Ë ¼µÎ ÈØ Ö Ð Þ ÞÍ 60A, Ö Æ Ð ½ Þ Ò ÐÏ Þ Ü Æ «µ Ä ÞÏ Ü Æ ÄÃË ¹ 100nm Ô Ö «Ô «Ä 2000V Ô Ù (sp 3 Æ 65%); Ø Ð È «Ä 80V Ô Ù (sp 3 Æ 80%). Æ ÔÞÂ Æ «ÉÊ Ð ½ 1h,»Í ² Æ 100 600 C Î Ø Linkam THMS600 ÈÞ Ô Í Å 2.2 Ranishaw RM1000 ¾²«Ù Ö Ar + Ô ( 514nm). Í ÍÊ 1000 2000cm 1 100s. Ø ÍÊ Linkam ÈÞ ÅØ 20 C ÍÊ Æ Æ ÔÆ MTS Ô XP ÄÜ ÉÙ ² Berkvovich ³È «Í ÍÊ «Ã Ì 150nm, «² 8 Ü ² ¹¹ Ô Á ² Ç 100 600 C» «Ô Ü ß É 1. Í 2000V Ù ½ ÓÔ ÖÈ Í «µ ½ ÓÔ Ö Ô sp 2 Æ«½¾ ÐÈ Ø Ó Ö [4,5], µ Ð Ò ÅØ Ö Á [6], Ö Ù Ô Ç ËÖ [7], «ÍÞ ³È ÖÔ Ü 1200 1800cm 1 µ ÔÖ ÐĐ² ¾ Ü BWF Ô Ä Ç [8]. 1 ¾ Ñ 500 C, Ð Ã Ð ÒÒ ÖµÆ µô¾ ÐÈ Ò 1300 1400cm 1 µ Ô ÂÌ sp 3 sp 2 ÔÆË Å (L a ) sp 2 È ÔĐ² D ÔÉ sp 2 ÔÆË Å D µ [4,5,9,10].»Ý Ô Ô Ö «500 C Í Ú É Ò D Ô «Ô Ö «É Tay Ö [9] Æ Ð ³ È ÖÔ Ð±È ÔÍ ÆÛ» ¾Ð 3 Ö Ñ Þ 3.1 ÅÒ Ç ÊÚ Ø Áµ Ö 1 º ²Ç ÕÓ½ Fig. 1 Raman spectra of the films annealed at different temperatures

3 Ë Õ ²Ç Õ Ó Ç 567 Í Ö Ô ÁǾ ¾Æ «Ç sp 2 È ß Ì Á µ Ö Ô Ùà ܻ 600 C Í µ Ã Æ Ú ³Ò ½Æ ½ ³ È Ö µ Ô 550 C Æ [11]. ³È Ö sp 2 Ô Æß ÆË Å ß ½¾ D ß µ¾ü BWF Ç Æ µ Ç 2 Û Ø ÔÁµ G Ò µ Ø ÊÎǺ Ñ Ô µ ÆÄ Ô G Ô ¾Ü È Ø Ô E 2g Ô [12], Ø π Ô ± Ô [8]. ³È Ö ÁÆËÈÔ Ã ½ G Ë ¾ ÔÆ Ö sp 2 ÔÅ sp 2» Æ» ¼» Å Ü» Ô ÍÞ» ± Ô Ôß Ñ ½Ç G Ô [13]. Á µ 500 C, µ Ø Ç 20cm 1. ¾Ð ¹ C=C Ð ÔÅ Æ ÎǺ Á Ô Æ Ö sp 2 Æ Á ÎǺ Ô ¹ 2(b) ¾ Ø Ô Áµ ÎǺ Ö Ô sp 2 ÆÑ ÐÆ π-π Ô Ð Æ π µæ ÁÖ È ¾ Ô π-π ¾± [14], ÐÐÆ ²» Ô À Ò Þ ÐÆÙ ÄϾ±Ü Ö 1 Ð»É Ø ÔÁµÒ Ø Æ ¾ ³ È Ö Ê ¹Ð± 2(c) Û µ Ø ÔÁµ ɾ Ô 300 C Æ Ä Ü»Ý ÓÔ Ö «Á Ñ É ÓÔ ³È Ö ½ Ó«Ó Á¾ÜÅ Ò Æ [15], ¾± ¾ ÆÔÄ ÔÄ ÁÃÌÊ 10 10 s ÔÆÙ [16], Î Á Ô Æ Ò Ü Ì ÍѳÍÇ ÖÔ Öµ [17]. Á Ø Æ±¾ ÖÆ Ç¹Æ ÔÊ ÆÔÄ «ÅØ ÖÔ µ Ô ½Ô ÔÄ ÁÆ µ Æ Ö½ 2(d) Ä Ø ÔÁµµÆ¾ÁµÍÅØ 2 ²Ç Õ½ Ó ¹ Fig. 2 Parameters of visible Raman spectra of a-d films vs annealing temperatures (a) The peak position; (b) The coupling coefficient; (c) The half width; (d) The maximal intensity 3 ± 400 Å 500 C Ì ²Ç ÕÓ Å ÓÅ Fig. 3 Hardness and Young s elastic modulus of the films as-grown, annealed at 400 C, annealed at 500 C in air

568 ± Ñ È Î 22 Ô Ý» ³È Ö¾ Ô Ð Ô sp 2 Ô± Â Ö sp 2 Ô ÆØ ÔÁµ» Ú Ä ÔÁµ ÃÌ ÁµÑ 500 C, Ö Ô Ò ÖË Ùà ½Ä Ô Æ ÈÔÆ Ü Ù 3 Ô Ü ³¹ 8» ÆÔ ¹¹ ¾ 400 C Í ÖÔ Æ ÈÔÆ ÈÏ Ð Ã» 500 C Í ÖËÔÙÃÆ sp 2 ÀÔÁµ«Æ۽Ż ÃÇ µôñ µ ½ Þ ³È Ö Ð ÃÖÐÔ Æ ÈÔÆ ÀÔ ¾ ÐÈ µæöð ÁÔ Ç Æ ß 3.2 Í 80V Ù ½ ÓÔ ÖÈ Ø Í «80V Ù Ó sp 3 ³È ÖÔÄÅ Ê Ö ÔÁ Æ ÖÈÐĐ ÑÇÄµÑ [2], Öº»È ³È ÖÔ Á ÍÊ ( 4 Û ), ¾ Ñ 190 C Ú Î Æ ÆÎǺ ÑÐ ÃÊÐ ( 5 Û ), Þ Ø ½ Ö Ã Ð Ê Ê Ø Ñ Ç Ô Ç Ô Î ÐÆ Ùà «½ ÂÃ Ä ½Å Ø Ô º Ñ»ß 130 C Æ Ê Ä µ Ú Ñ 190 C Ê Ä Ò Ø ½ ¾± Ò ½ ³ È Ö ± Ñ» Ô «½ Ô Ë Ü ÉÍ Ò Í ÖÔ Æ ÈÔÆÑ Ã» 4 «Ó ²Ç ÕÓÌɽ Fig. 4 In situ visible Raman spectra of the films cooled by liquid nitrogen 5 Ó ¼ ²Ç ÕÌÉ Ó Ó ¹ Fig. 5 Correlations of the fitting parameters of Raman spectra of the films cooled by liquid nitrogen with temperatures

3 Ë Õ ²Ç Õ Ó Ç 569 4 ÖÞ Ö Þ Ô ³È Ö µ Æ ÀÔ¾ ÐÈ Ñ 400 C, Æ ÈÔÆРû ¾ÜÖ Ð Ñ 500 C, Ñ 600 C, Ö È «Ö  ³È ÖÔ¾ Ø ÔÁµ µ Ø Ø Á ֻб û Ü [1] McKenzie D R. Rep. Prog. Phys., 1996, 59: 1611 1664. [2] Zhu J Q, Han J C, Han X, et al. Opt. Mater., 2006, 28 (5): 473 479. [3] Yao Z Q, Yang P, Sun H, et al. J. Inorg. Mater., 2005, 20 (3): 727 734. [4] Kalish R, Lifshitz Y, Nugent K, et al. Appl. Phys. Lett., 1999, 74 (20): 2936 2938. [5] Anders S, Ager III J W, Pharr G M, et al. Thin Solid Films, 1997, 308-309: 186 190. [6] Veerasamy V S, Amaratunga G A J, Milne W I, et al. J. Non-Cryst. Solids, 1993, 2 (12): 1111 1114. [7] Tarrant R N, Montross C S, McKenzie D R. Surf. Coat. Technol., 2001, 136: 188 191. [8] Ferrari A C, Robertson J. Phys. Rev. B, 2000, 61: 14095. [9] Tay B K, Shi X, Liu E J, et al. Diamond Relat. Mater., 1999, 8: 1328 1332. [10] Friedmann T A, McCarty K F, Barbour J C, et al. Appl. Phys. Lett., 1996, 68: 1643 1645. [11] Bhargava S, Bist H D, Narlikar A V, et al. J. Appl. Phys., 1996, 79: 1917 1925. [12] Wei Q, Narayan J. Int. Mater. Rev., 2000, 45: 133 164. [13] Schwan J, Ulrich S, Batori V, et al. J. Appl. Phys., 1996, 80: 440 447. [14] Yoshikawa M, Katagiri G, Ishida H, et al. J. Appl. Phys., 1988, 64: 6464 6468. [15] Lifshitz Y, Kasi S R, Rabalais, et al. Phys. Rev. B, 1990, 41: 10468 10480. [16] Robertson J. Diamond Relat. Mater., 1994, 3: 361 368. [17] Britton D T, Härting H M, Hempel M, et al. Appl. Surf. Sci., 1999, 149: 130 134.