Nanodiamond seeding for thin film growth

Abstract

Tutkin nanokokoisten timanttien asettumista kasvatusalustan pinnalle timanttiohutkalvojen valmistusta varten. Tutkielma esittelee nanotimanttien historiaa ja käyttökohteita kokeellisen osion ohella. Kokeiden aluksi kaupallista nanotimanttien ja veden muodostamaa liuosta laimennetaan joko vedellä tai etanolilla eri timanttikonsentraatioille. Kasvatusalusta, substraatti, kastetaan laimennettuun liuokseen, josta timantit asettuvat alustan pinnalle. Mahdollisimman pienten ja erilleen, mutta tiheästi, asettuneiden timanttien kerrosta tavoitellaan sileän reiättömän kalvon tuottamiseksi. Timanttikalvot kasvatetaan nanotimanttien muodostamasta kerroksesta kaasukasvatusmenetelmää hyödyntäen.

Laimennetuista nanotimanttiliuoksista määritettiin dynaamisen valon siroamisen ja elektroforeettisen liikkuvuuden mittauksilla timanttien koko ja zeta-potentiaali, joka vaikuttaa timanttien paakkuuntumiseen liuoksessa sekä niiden vuorovaikutukseen pinnan kanssa. Liuoksia käsiteltiin ultraäänellä ja sentrifugoimalla timanttien paakkuuntumisen välttämiseksi. Asettumista puolijohtaville ja metallisille pinnoille verrattiin. Substraateille muodostuneita kerroksia tutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, atomivoimamikroskoopilla ja ionisuihkuanalyysilla. Mikroskooppikuvista määritettiin timanttien koko, korkeusprofiili ja niiden määrä pinta-alaa kohti sekä arvioitiin hiilen määrä. Ionisuihkuanalyysillä määritettiin hiilen määrä. Timanttien etäisyyksiä toisiinsa tutkittiin vertaamalla oikeita mikroskooppikuvia simuloituihin kuviin ja laskemalla kuvista timanttien tiheys etäisyyden funktiona.

Dynaamisen valon siroamismittauksen rajakooksi nanotimanttiliuoksissa paljastui 0.2 nm, jota pienemmillä konsentraatioilla kokomittauksen tulokset erosivat huomattavasti kuvista määritetyistä kooista. Liuoksen käsittelyllä ei ollut merkittävää vaikutusta timanttien kokoon. Pienimmät timantit 19.0 nm ja eniten timantteja pinta-alaa kohti 4.5*10^10 cm^-2 saavutettiin piisubstraatilla, joka oli kastettu 2.0 g/l timanttikonsentraatioiseen etanoliliuokseen. Metallisilla substraateilla timantit kasaantuivat huomattavasti tiiviimpään kuin puolijohtavilla substraateilla. Hiilen määrä oli luokkaa 3--8*10^15 cm^-2 ionisuihkulla tehdyn alkuaineanalyysin mukaan. Simulaatioista havaittiin, että halkaisijaltaan pienemmät timantit voivat asettua lähemmäs toisia timantteja kuin suuremmat.

The influence of the properties of nanodiamond seeding dispersions and substrate materials were studied to improve the seeding density for growing nanocrystalline diamond thin films. Particle sizes and zeta potentials of dispersions were analysed with dynamic light scattering and electrophoretic mobility. Scanning electron microscopy and atomic force microscopy images of seed layers were taken and analysed. The surface density of carbon was determined with ion beam analysis. The density variation of nanodiamond seeds was determined and simulated. The different treatments of dispersions have no effect on the particle size. The highest achieved seeding density of separated seeds was 4.5*10^10 cm^-2 and the smallest seed size was 19.0 nm both on same semiconducting substrate. On metallic substrates the particles accumulated. Surface density of carbon on semiconducting substrates was 3--8*10^15 cm^-2. Density variation indicated that smaller particles deposite closer to other particles than larger ones.