ИОФ РАН
Композитные пленки алмаз-германий, синтезированные в СВЧ плазме
Пресс-релиз публикации: Victor Ralchenko, Vadim Sedov, Artem Martyanov, Valery Voronov, Sergey Savin, Andrey Khomich, Mikhail Shevchenko, Andrey Bolshakov. «Diamond-Germanium Composite Films Grown by Microwave Plasma CVD». Carbon 190, 2022: 10–21. DOI: 10.1016/j.carbon.2022.01.003
В ИОФ РАН методом химического осаждения из газовой фазы вырастили новый материал: микрокристаллические композитные пленки алмаз-германий с настраиваемым коэффициентом теплового расширения для интеграции композитных теплоотводов на основе алмаза с мощными полупроводниковыми электронными устройствами.
Композиты на основе алмаза с неметаллическими связующими, такие как композиты алмаз-карбид кремния, представляют большой интерес для инструментальной промышленности, управления температурным режимом высокостабильных имплантатов и биосенсоров ввиду высокой прочности, теплопроводности и износостойкости. Одним из способов синтеза таких композитов является химическое осаждение из газовой фазы (CVD), которое позволяет получать однородные покрытия большой площади на поверхностях сложной формы. Однако композиты алмаз-SiC обладают крайне низкой скоростью роста - порядка 100 нм/ч. Было бы полезно повысить скорость роста таких композитов. Кроме того, необходимы новые композиты на основе алмаза для регулирования коэффициента теплового расширения (КТР) в более широком диапазоне. При осаждении композитов алмаз-германий параллельно с ростом кристаллитов Ge происходит легирование алмазных зерен германием и формирование центров окраски германий-вакансия (GeV). Оптическое излучение GeV-центров на длине волны 602 нм представляет большой интерес для квантово-оптических приложений, в частности, они перспективны как однофотонные излучатели. Другое потенциальное применение в оптике касается инфракрасного диапазона. Германий является обычным оптическим материалом для ИК-окон, однако его механическая стойкость, например, к ударам частиц, является умеренной, поэтому востребованы защитные твердые покрытия. Однако прямой рост алмаза на германии затруднен из-за напряжений, вызванных большим несоответствием КТР между подложкой и покрытием. Композиты алмаз-Ge могли бы стать альтернативой слоистой структуре, и этот вопрос побудил нас провести измерения спектров ИК-пропускания.
В данной работе проведено первое систематическое исследование осаждения композитных плёнок алмаз-германий на кремниевые подложки методом MPCVD. Процесс осаждения был исследован в широком диапазоне температур подложки, отмечено влияние условий осаждения на структуру композита, фазовый состав и скорость роста как германиевой, так и алмазной составляющих. Скорость роста композитов алмаз-Ge оказалась на порядок выше, чем у изученных пленок алмаз-SiC. Мы подтвердили, что полученные композиты алмаз-Ge действительно демонстрируют достаточно яркую люминесценцию центров окраски GeV на длине волны 602 нм. Для пленок алмаз-Ge были проведены численные расчеты для оценки диапазона возможной перестройки КТР.
Пресс-релиз подготовил: старший научный сотрудник научного центра естественно-научных исследований ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук В.С. Седов.
Рис. 1. Изображение РЭМ поверхности композитной пленки алмаз-германий. Цветом отображены результаты элементного анализа: зеленым – углерод, красным – германий. (Источник: Victor Ralchenko, Vadim Sedov, Artem Martyanov, Valery Voronov, Sergey Savin, Andrey Khomich, Mikhail Shevchenko, Andrey Bolshakov. «Diamond-Germanium Composite Films Grown by Microwave Plasma CVD». Carbon 190, 2022: 10–21. DOI: 10.1016/j.carbon.2022.01.003)