EN Study of the Structural and Surface Properties of Thin Diamond Layers by Spectroscopic Methods

polski

PL Przedmiotem badań rozprawy doktorskiej są właściwości strukturalne i powierzchniowe warstw diamentowych CVD o różnych wielkościach krystalitów diamentowych, ze szczególnym uwzględnieniem różnic wynikających z występowania odmiennych form fazy amorficznej węgla na granicach ziaren. W ramach badań szczegółowo scharakteryzowano zawartość oraz stopień uporządkowania fazy niediamentowej, a także udział poszczególnych form klastrów węgla w fazie amorficznej. Spektroskopia Ramana posłużyła do badania właściwości strukturalnych i tak stwierdzono, że w przybliżeniu procentowa zawartość krystalicznego diamentu w badanych warstwach wynosiła od 14% - dla warstw nanodiamentowych, do 91% - dla warstw mikrokrystalicznych. Zaobserwowano silny związek pomiędzy wielkością ziaren diamentowych, a procentowym udziałem innych form węgla niż diament, niezależnie od warunków technologicznych poszczególnych procesów osadzania warstw diamentowych. Dla poszczególnych próbek przeprowadzono również analizę kompozycji z wyszczególnieniem szacunkowych zawartości fazy krystalicznej i amorficznej diamentu, zawartości grafitopodobnego węgla oraz łańcuchów trans-poliacetylenu. Oszacowane wartości porównano z danymi uzyskanymi techniką XPS i uzyskano wysoką zgodność wyników. Ponadto pokazano, że to warstwa nanodiamentowa uzyskana techniką mikrofalową ma najbardziej zbliżoną kompozycję do warstwy czystego tetraedrycznego węgla amorficznego. Również duże podobieństwo do warstw czystych węgli amorficznych zaobserwowano dla próbek mikrokrystalicznych, choć wykazywały one mniejsze zawartości węgla w postaci łańcuchów olefinowych. Pozostałe warstwy nanokrystaliczne wykazywały duży udział klastrów nanografitowych, których to zawartość zwiększa się wraz ze zmniejszaniem rozmiaru ziaren diamentowych. Z przeprowadzonych badań wynika, że wraz ze zmniejszaniem się ziaren diamentowych postępuje grafityzacja węgla amorficznego znajdującego się na granicy ziaren. Ponadto stwierdzono, że obecność nanokrystalicznych ziaren diamentowych silnie wzmacnia syntezę struktur trans-poliacetylenu, zwłaszcza o bardzo krótkich łańcuchach. Analiza widm Ramana pozwoliła stwierdzić również, że dla warstw nanodiamentowych zmienia się charakter łańcuchów trans-poliacetylenu w porównaniu do warstw mikrokrystalicznych i w próbkach tych obserwuje się oprócz długich łańcuchów również ekstremalnie krótkie struktury. Dodatkowo, wykorzystanie techniki mapowania spektroskopią Ramana dostarczyło informacji na temat dystrybucji węgla amorficznego oraz innych form węgla, naprężeń czy też defektów, względem morfologii powierzchni. Szczegółowa analiza wzajemnych relacji pomiędzy różnymi parametrami, a rozkładem granic ziaren pozwoliła stwierdzić, iż zwiększone koncentracje fazy amorficznego diamentu obserwuje się na ścianach krystalitów diamentowych, natomiast występowanie grafitopodobnego węgla oraz łańcuchów trans-poliacetylenu jest ściśle związane z granicami ziaren. Stwierdzono, że na intensywność tła fotoluminescencji w widmie Ramana, często wiązanego z zawartością wodoru w warstwach amorficznego węgla, ma największy wpływ wielkość klastrów węglowych oraz duża niejednorodność fazy węgla amorficznego. Jednocześnie dla warstw wytworzonych w tym samym reaktorze udało się powiązać intensywność tła fotoluminescencji z koncentracją wiązań CHx wyznaczoną na podstawie pomiarów XPS. Charakteryzacja właściwości powierzchniowych warstw metodą kąta zwilżania pokazała natomiast, że na końcową zwilżalność powierzchni wpływ będzie miał przede wszystkim stosunek wiązań wodoru to wiązań tlenowych znajdujących się na powierzchni diamentowej.

EN The theme of the doctoral dissertation are structural and surface properties of diamond layers deposited by Chemical Vapour Deposition with different grain size, with particular emphasis on non-diamond phase in grain boundaries. The research covers in detail characterization of the content and order of non-diamond phase, as well as the estimation of relative concentration of different forms of carbon clusters in the amorphous phase. Raman spectroscopy was used to study the structural properties and it was found out that the percentage of crystalline diamond in the investigated samples ranged approximately from 14% for the nanodiamond layers, to 91% for the microcrystalline layers. A strong relationship was observed between the size of diamond grains and the relative concentration of non-diamond forms of carbon, regardless of the deposition conditions. The composition analysis was also carried out for individual samples, detailing the estimated content of the crystalline diamond and amorphous phases, the content of graphite-like carbon and trans-polyacetylene chains. Data obtained by Raman spectroscopy were compared with the compositions estimated by XPS technique and a high agreement of those results was obtained. Moreover, it was shown that the nanodiamond layer obtained with the microwave plasma CVD technique has the most similar composition to the pure tetrahedral amorphous carbon layer. Also, a great similarity to the layers of pure amorphous carbons was observed for microcrystalline samples, although they showed lower carbon content in the form of olefinic chains. The remaining nanocrystalline layers showed a large share of nanographite clusters, the content of which increases with the reduction of diamond grains. The conducted research shows that the graphitization of amorphous carbon at the grain boundary progresses along with the reduction of diamond grains. Moreover, it was found that the presence of nanocrystalline diamond grains strongly enhances the synthesis of trans-polyacetylene structures, especially the one with very short chains. The analysis of Raman spectra also showed that for the nanodiamond layers the nature of the trans-polyacetylene is different compared to the microcrystalline layers, in nanocrystalline layers apart from long chains also extremely short structures are present. In addition, the utilization of the Raman mapping technique allowed to collect information in relation to the surface morphology about distribution of amorphous carbon and other forms of carbon, stresses or defects. Detailed analysis of the mutual relations between various parameters and the distribution of grain boundaries allowed to conclude that high concentrations of the amorphous diamond phase are dominant at the facets of diamond crystallites, while the presence of graphite-like carbon and trans-polyacetylene chains is closely related to the grain boundaries. On the other hand, for the nanodiamond layers, the clusters formation of structures with similar properties of both the diamond and non-diamond phases was observed on the surface. It was found that the intensity of the photoluminescence background in the Raman spectrum, often related to the hydrogen content in the amorphous carbon layers, was greatly influenced by the size of the carbon clusters and the high heterogeneity of the amorphous carbon phase. On the other hand, in the case of diamond layers produced in the same reactor, it was possible to associate the intensity of the photoluminescence background with the concentration of CHx bonds determined by XPS measurements. Characterization of the surface properties of diamond layers by the contact angle method showed that the final surface wettability is mainly influenced by the ratio of hydrogen bonds to oxygen bonds coverage on the diamond surface.

148

nauki inżynieryjne i techniczne

inżynieria materiałowa

DrOIN 2115

to2021500484

Pobierz plik

publiczny

Andrzej Łapiński

Poznań, Polska

18.01.2021

polski

Pobierz plik

publiczny

Paweł Szroeder

Bydgoszcz, Polska

06.01.2021

polski

Pobierz plik

publiczny

rozprawa doktorska

Poznań, Polska

31.03.2021

Rada Dyscypliny Inżynieria Materiałowa Politechniki Poznańskiej

doktor nauk inżynieryjno-technicznych w dyscyplinie: inżynieria materiałowa