Исследование оптических свойств алмазных поликристаллических пленок

Среди различных природных и синтетических материалов алмаз выделяется удивительной комбинацией физических свойств, при этом многие из них характеризуются параметрами, имеющими рекордные значения. Именно физические свойства алмаза служат основой огромного интереса к нему, распространяющемуся от использования в качестве ювелирного материала до различных технических применений. В то же время относительная простота атомной структуры делает алмаз удобным модельным объектом в различных научных исследованиях и, в частности, для экспериментальной проверки теоретических моделей физики твердого тела.

В последнее время значительно возрос интерес к исследованию и практическому использованию оптических, электронных и теплофизических свойств алмаза. В значительной степени этот интерес стимулируется разработкой методов получения алмазных пленок достаточно большой площади. Как правило, такие пленки имеют поликристаллическую структуру, обуславливающую характерные особенности их физических свойств, некоторые из них остаются до настоящего времени недостаточно изученными. Среди различных методов, используемых при изучении алмазных материалов особое место принадлежит оптическим исследованиям. В частности, спектры оптического поглощения тесно связаны с электронными свойствами алмаза, количеством и типом дефектов и примесей в его кристаллической решетке. Важным обстоятельством является то, что оптические спектры природных и синтетических монокристаллов алмаза достаточно хорошо изучены, на их основе даже строится одна из систем классификации алмазов.

Другим обстоятельством, принятым во внимание при формулировке целей данного исследования, была необходимость получения объектов исследований — алмазных поликристаллических пленок, в достаточном количестве и с необходимыми характеристиками. Наиболее последовательное решение этой задачи требует создания специализированного оборудования как для синтеза алмазных пленок, так и для их исследования.

Таким образом, основными целями работы были выявление особенностей оптических свойств, характерных для поликристаллических алмазных пленок, а также установление наличия корреляции этих свойств с другими физическими параметрами этих материалов. В соответствии с поставленной целью, задачами работы являлись:

— разработка и изготовление установки для химического газофазного осаждения алмазных пленок;

— разработка и изготовление спектрометра КРС, обеспечивающего возможность проведения диагностики пленок в процессе их синтеза;

— разработка методов синтеза алмазных и других углеродных пленок с различным фазовым составом, морфологией, оптическими и другими физическими свойствами;

— измерение и анализ оптических характеристик алмазных материалов в комплексе с исследованием ряда важных физических свойств алмаза (теплопроводность, полевая эмиссия и др.).

Научная новизна работы заключается.

— в создании оборудования для синтеза широкого спектра углеродных материалов, обладающего рядом уникальных технических параметров, в том числе обеспечивающего возможность регистрации спектров КРС алмазных пленок в условиях их синтеза при интенсивной засветке от газоразрядной плазмы;

— установлении корреляции спектров оптического поглощения и люминесценции алмазных поликристаллических пленок с их структурно-морфологическими особенностями;

— разработке нового оптического метода определения одного из важнейших физического параметра тонких алмазных пленок — их теплопроводности, и установлении зависимости теплофизических свойств пленок от способа их синтеза;

— установлении корреляции оптических свойств и характеристиками полевой эмиссии электронов в алмазных пленках.

Положения, выносимые на защиту: создана оригинальная установка для синтеза алмазных поликристаллических пленок в плазме тлеющего разряда постоянного тока;

— разработана технология получения алмазных поликристаллических пленок с заданными структурно-морфологическими характеристиками и фазовым составом;

— создан автоматизированный спектрометр КРС, разработана методика диагностики материалов в условиях их синтеза в газоразрядной плазме;

— установлены определенные корреляции между оптическими свойствами и структурно-морфологическими особенностями алмазных материалов;

— предложен новый метод прямого определения теплопроводности алмазных пленок с помощью фотоакустических измерений;

— установлено увеличение эффективности полевой эмиссии электронов с ростом плотности структурных дефектов, обусловленных графитовыми включениями и межкристаллитными границами.