第三章 側向成長二維奈米平板鑽石之研究
3.3 實驗結果與討論
3.3.2 Fe/diamond/Si 基材
首先將探討Fe (50 nm)/poly-diamond films(40μm)/Si 基材，其實驗 參數如下:
H2 etching階段 : 800 Watt，10 torr，300 sccm，0 %，10 min 偏壓階段 : 800 Watt，20 torr，300 sccm，4 %，- 200V，15 min 成長階段 : 800 Watt，20 torr，300 sccm，0.667 %，30 min。
SEM 表面形態探討
圖 3.6 為試片反應前在 SEM 下所觀察到的影像，鑽石基材鍍上
50 nm 厚的 Fe 薄膜，尺寸非常小且沒有晶形存在，是典型利用雙電
圖3.6 試片(50nm Fe/diamond/Si)反應前 SEM 表面形貌
圖3.7 沉積鑽石後試片表面形態分佈示意圖
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 (mm) 4.0
2.0 6.0 8.0 10.0 (mm)
試 片 高 度
試 片 長 度
圖 3.8 (a)為試片 A 區 SEM 觀察之表面形態，僅有奈米平板沉積 鑽石存在；(b)為同一區域高倍率下表面形貌
圖 3.9 (a)為試片 B 區 SEM 觀察之表面形態，除了奈米平板鑽石，
還有些奈米顆粒；(b)為同一區域高倍率下表面形貌
圖 3.10 (a)為試片 C 區 SEM 觀察之表面形態，包奈米鑽石，奈米 顆粒及奈米碳管；(b)為同一區域高倍率下表面形貌
TEM 分析
( bright field (BF) image)，影像中似六邊形平板狀結構，六個邊可清楚 的觀察到，由圖3.11(b)擇區繞射圖分析後確定為鑽石結構， 圖3.11(b) 是以平板狀結構物的擇區繞射圖形(SAD, selected area diffraction)，以 [011] 為晶軸方向，可分別觀察到(111)與(200)繞射點，經由計算分析 後確定為單晶鑽石特定繞射點。 除了可以觀察到六個主要繞射點外， image)，是由圖 3.11(b)中白色箭頭所指的 111 繞射點所貢獻，仔細觀察 可發現這個平板狀結構似乎是由許多同方向的subunits 所組成。圖3.11 (a) 奈米平板鑽石明視野影像；(b)為其以[011]為軸向擇區繞射 圖；(c)為圈選圖(b)白色箭頭 111 所產生暗視野影像。
圖3.12 (a)奈米平板鑽石明視野影像，白色箭頭處回其雙晶缺陷；(b)圖 為以鑽石[110]軸向擇區繞射圖。
析後確定為單晶鑽石結構。 接著再回到圖 3.12(a)，對照圖 3.12(b)的繞 射點，我們定義出幾個明顯的邊法向量。 仔細觀察奈米平板狀鑽石對 比可以發現許多多重雙晶線(multi-twins)的存在，而這些雙晶都是平行 著鑽石{111}向量，這些雙晶所在位置於圖中以白色的箭頭所標示。
接下來將進行元素二維分佈影像(Elemental Mapping)，方法是使用 能量選擇光闌讓核損失電子成像，以視窗能量(energy window) 10 eV，
分別針對碳元素 k edge (284 eV) 及鐵元素 L edge(708 eV) 核損失能
圖3.13 為元素二維分佈影像(Elemental Mapping)；(a)為碳元素的 分佈區域；(b)為鐵元素分佈區域；(c)則是將(a)圖及(b)圖疊圖做比較
接著進行能量損失譜儀(electron energy loss spectroscopy, EELS)分 析，EELS 的分析可以分成三個部份。 一個是零損失峰(zero loss peak)，
這區主要是由未損失能量的電子所組成。 一個是低能量損失區(low energy loss region) 低能量損失的能量範圍大致是從 0-50 eV 之間，能 用來判定微區元素的化學態。 圖 3.14(a)即為一典型的低能量損失區能 譜，所作用的位置如圖 3.12(a)中標示為 1 的白色點，能譜中電漿峰 (plasmon peak)出現在 33 eV ，為一個典型的鑽石特性能損位置。 通常 我們也可以由 low-ratio 方法，由低能量損失區計算出厚度，其計算出 的厚度大約是43 nm，與 SEM 所量測到的平板狀鑽石厚度相符。 最後 一部份則是高能量損失區(high energy loss region)，高能量損失區是 50 eV 以上的能譜部份，圖 3.14(b)以 Fe L-edge 內層軌域的損失能譜，這
圖3.14 (a)為低能量損失區能譜，33 eV 為一個典型的鑽石特性能損位 置；(b)針對奈米鐵粒進行 Fe L-edge 內層軌域的損失能譜；(c)是 carbon K-edge 內層軌域損失能譜比較，分別於奈米平板鑽石與純鑽石上取得。
為了進一步了解奈米鐵粒，將 TEM 試片由鑽石<110>軸向傾轉至 管生成的溫度範圍較合成鑽石來的低，約在600°C -1000°C。當反應溫 度超過1000°C 時，氫電漿將會去侵蝕奈米碳管表面造成傷害而導致所
圖3.15 (a)為明視野影像；(b)是以[011]為軸向的 bcc Fe 擇區繞射圖；(c) 為暗場相影像，是圈選圖 (b)中 bcc 鐵 011繞射點所產生。
生成的奈米碳管品質不佳[4,6]。除此之外，文獻也指出在 1000°C 的反
在Fe/Diamond/Si 試片中，經過完整分析之後，已大概可以知道於 CVD 系統中合成奈米平板狀鑽石，溫度是一個非常重要的因素，除了 溫度之外，基材的種類的影響應該也很大，之前所用的基材包含了三 種材料，鐵、鑽石及基矽晶片，這三種材料對於合成鑽石或是碳的化 合物都有相當的影響，因此接下來我們將針對不同的基材，探討基材 於CVD 系統中合成奈米片狀鑽石會產生的影響。 以下將探討兩種不 同基材，分別是 diamond/Si，Fe/Si。 整個合成奈米平板鑽石的參數是