[发明专利]一种具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜及制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种具有Si-V发光(在光致发光谱中的发光峰位于738nm)的纳米金刚石薄膜及其制备方法。

(二)背景技术

金刚石中存在500多个发光中心，其中最典型的发光中心有三种：氮-空位(N-V)、NE8和硅-空位(Si-V)中心，他们已被证实可以作为明亮稳定的室温单光子源，在单光子源、量子信息处理、光电子器件、生物标记、半导体器件和场致发射显示器等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。

金刚石中的Si-V发光中心在光致发光谱(PL谱)中的发光峰位于738nm，线宽较窄(～5nm)，发光寿命很短(1.2ns)，使得Si-V成为极具潜力的单光子源。在纳米金刚石晶粒中构建光学活性的缺陷，可以获得具有更强更窄发光的单一光学活性的薄膜。化学气相沉积(CVD)制备的纳米金刚石薄膜中的Si-V发光中心通常是在薄膜生长过程中，由衬底或石英管中的硅以非有意掺杂的形式进入薄膜而形成的；使得制备的薄膜有的具有Si-V发光，而有的薄膜并不具有Si-V发光性能，即薄膜的Si-V发光性能难以控制。因此，本发明探索具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜的制备方法，对于实现纳米金刚石薄膜在单光子源、量子信息处理、光电子器件和场致发射显示器等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。

在申请人的授权专利”一种n型纳米金刚石薄膜及制备方法”(ZL200910155306.3)中，提出在纳米金刚石薄膜中注入施主杂质离子，并对薄膜进行真空退火处理，获得了电阻率较低，迁移率较高的n型纳米金刚石薄膜。该专利涉及真空退火及薄膜的电学性能。本申请对薄膜进行空气中的氧化处理，提高了薄膜的Si-V发光性能。目前文献中对薄膜进行氧化处理，主要研究氧化对薄膜微结构和力学性能等的影响；而氧化处理对薄膜的Si-V发光性能的影响等研究未见报道。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种具有Si-V发光(Si-V发光是指在光致发光谱(PL谱)中特征峰位于738nm处，线宽较窄(～5nm)，发光寿命很短(1.2ns)，使得Si-V成为极具潜力的单光子源)的纳米金刚石薄膜及制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一种具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜的制备方法，所述方法包括：(1)在单晶硅衬底上采用热丝化学气相沉积方法制备纳米金刚石薄膜；(2)将步骤(1)得到的纳米金刚石薄膜在500-700℃(优选600-700℃)温度下的空气中保温5～150分钟，即制得所述具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜。本发明采用热丝化学气相沉积方法，制备纳米金刚石薄膜，并对薄膜在空气中进行热氧化处理，制备得到具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜。该方案解决了热丝化学气相沉积法制备得到的纳米金刚石薄膜的Si-V发光性能不稳定的问题。

本发明还提供一种具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜，所述薄膜按以下方法制得：(1)在单晶硅衬底上采用热丝化学气相沉积方法制备纳米金刚石薄膜；(2)将步骤(1)得到的纳米金刚石薄膜在500-700℃温度下的空气中保温5～150分钟，即制得所述具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜。制得的薄膜表面发生了氧化，薄膜表面为氧终止。

所述纳米金刚石薄膜采用热丝化学气相沉积(HFCVD)法在单晶硅衬底上制备，可采用常规化学气相沉积设备进行，制备获得的纳米金刚石薄膜厚度通常在1～10μm。

优选的，所述步骤(1)具体方法如下：对单晶硅衬底采用金刚石研磨膏打磨半小时，打磨后的金刚硅衬底放入化学气相沉积设备，以丙酮为碳源，采用氢气鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，反应温度600～700℃、反应时间5～6小时，在单晶硅衬底上制备得到厚度为1～10_μm的纳米金刚石薄膜。

所述步骤(2)优选为以下操作方法之一：

(i)将步骤(1)得到的纳米金刚石薄膜在500℃温度下的空气中保温150分钟，即制得所述具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜；

(ii)将步骤(1)得到的纳米金刚石薄膜在600℃温度下的空气中保温30分钟，即制得所述具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜；

(iii)将步骤(1)得到的纳米金刚石薄膜在700℃温度下的空气中保温5分钟，即制得所述具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜。

更优选所述步骤(2)为上述方法(ii)或(iii)。