低维度金刚石及其光电器件

本书为“低维材料与器件丛书”之一。全书主要介绍从零维到二维的含有sp3杂化结构的碳质材料，包括本征非晶金刚石薄膜、掺杂非晶金刚石薄膜、纳米晶金刚石材料的制备方法、性能表征及其在光电器件方面的应用等内容。不仅简要介绍了低维度金刚石发展概况，而且详细介绍了在低维度金刚石中具有代表性的纳米金刚石及非晶金刚石的制备及表征方法，很后还分别阐释了纳米金刚石和非晶金刚石在声波增频、光伏发电、电化分析等光电器件领域的创新性成果。内容涵盖了典型低维度金刚石的合成手段、性能检测、器件应用、技术难点、很新成果及发展趋势。

朱嘉琦，1974年生，2007年毕业于哈尔滨工业大学，获博士学位。现为哈尔滨工业大学航天学院教授、博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，中组部“万人计划”领军人才，教育部“新世纪很好人才”，黑龙江省杰出青年科学基金获得者等。兼任中国材料学会特别条件材料与器件分会副主任，中国仪器仪表学会功能材料分会副理事长，中国硅酸盐学会薄膜与涂层分会副理事长，中国机械工程学会表面工程分会常务委员，以及《材料科学与工艺》、《中国表面工程》、《功能材料》等杂志编委。主要从事光电晶体、薄膜及其器件，新型碳材料，纳米复合材料，特别环境下材料的服役行为等领域的研究。主持并承担5项国家自然科学基金项目、2项国家重点研发计划重点专项项目、5项装备发展部预研计划项目、4项国防科工局军品配套科研项目、3项国防基础科研项目等，相关成果已实现产业化，其中获授权发明专利50余项。曾荣获国家技术发明奖二等奖1项，黑龙江省技术发明一等奖和二等奖各1项，并获得中国青年科技奖、黑龙江省青年五四奖章、首届国家开发银行科技创新奖、何鸿檠奖教金等荣誉。

总序
前言
第1章低维度金刚石概述1
1.1非晶金刚石薄膜1
1.1.1类金刚石简介1
1.1.2非晶金刚石概述3
1.1.3非晶金刚石性能及应用4
1.2纳米金刚石6
1.2.1金刚石简介6
1.2.2纳米金刚石概述7
1.2.3纳米金刚石性质及应用7
参考文献10
第2章非晶金刚石薄膜的制备及力学性能12
2.1非晶金刚石薄膜的制备方法12
2.1.1离子束辅助沉积12
2.1.2质量选择离子束沉积12
2.1.3脉冲激光熔敷13
2.1.4过滤阴极真空电弧沉积13
2.2非晶金刚石薄膜的沉积机制13
2.2.1薄膜横截面层状密度分布14
2.2.2非晶金刚石薄膜的结构模型18
2.2.3薄膜的表面形态21
2.2.4薄膜的表面成分23
2.3非晶金刚石薄膜的热稳定性24
2.3.1空气环境中薄膜的热稳定性25
2.3.2真空环境中薄膜的热稳定性29
2.4多层非晶金刚石薄膜的结构与应力分析33
2.4.1多层膜的应力理论34
2.4.2多层非晶金刚石薄膜的微结构35
2.4.3多层非晶金刚石薄膜的应力分析39
2.5多层非晶金刚石薄膜的机械性能研究41
2.5.1硬度与杨氏模量42
2.5.2断裂性能44
2.5.3耐划擦与附着性能47
2.5.4子膜层厚度对多层膜机械性能的影响50
2.6小结57
参考文献57
第3章纳米金刚石晶体62
3.1纳米金刚石简介63
3.1.1纳米金刚石的分类63
3.1.2纳米金刚石的稳定性65
3.2纳米金刚石的制备66
3.2.1纳米金刚石颗粒的制备67
3.2.2超纳米金刚石薄膜的制备70
3.3纳米金刚石的表征72
3.3.1X射线衍射72
3.3.2拉曼散射73
3.3.3高分辨透射电子显微镜73
3.3.4可见光和远红外光谱74
3.3.5电子能量损失能谱74
3.4纳米金刚石的应用74
3.4.1超纳米金刚石在微机电系统中的应用75
3.4.2n型超纳米金刚石薄膜的应用81
3.4.3碳纳米管/超纳米金刚石复合物作为潜在的高效率高温热电材料84
3.5前景与展望86
参考文献87
第4章非晶金刚石薄膜太阳电池93
4.1掺硼非晶金刚石的制备94
4.2掺硼非晶金刚石的结构特征96
4.2.1组分分析96
4.2.2表面形貌98
4.2.3原子结构99
4.2.4价带结构109
4.2.5组态分析112
4.3掺硼非晶金刚石的力学性能及热稳定性115
4.3.1薄膜应力115
4.3.2薄膜密度117
4.3.3硬度和杨氏模量120
4.3.4热稳定性122
4.4掺硼非晶金刚石的光电性能127
4.4.1光学性能127
4.4.2电学性能133
4.5非晶金刚石薄膜的光伏应用137
4.5.1电池制备工艺流程137
4.5.2掺硼非晶金刚石为窗口层的非晶硅太阳电池性能138
4.6小结147
参考文献147
第5章非晶金刚石生物电极152
5.1掺磷非晶金刚石概述153
5.1.1掺磷非晶金刚石的研究进展153
5.1.2掺磷非晶金刚石的制备工艺155
5.1.3掺磷非晶金刚石的实验表征158
5.2掺磷非晶金刚石的结构和力学性能160
5.2.1掺磷非晶金刚石的结构160
5.2.2掺磷非晶金刚石的机械性能及应力174
5.3掺磷非晶金刚石的电学和电化学性能178
5.3.1掺磷非晶金刚石的电学性能178
5.3.2掺磷非晶金刚石的电化学性能183
5.4掺磷非晶金刚石的生物相容性及耐腐蚀行为192
5.4.1掺磷非晶金刚石的生物相容性192
5.4.2掺磷非晶金刚石的耐腐蚀行为200
5.5掺磷非晶金刚石的表面金纳米粒子修饰203
5.5.1金纳米粒子的电化学沉积203
5.5.2金纳米粒子的成核机理207
5.5.3金纳米粒子修饰的掺磷非晶金刚石电极的电化学行为210
5.6掺磷非晶金刚石为生物电极材料的研究211
5.6.1对重金属离子的检测211
5.6.2对过氧化氢的检测213
5.6.3对多巴胺的检测217
5.7小结222
参考文献222
第6章非晶金刚石的声波器件应用227
6.1非晶金刚石用作体声波器件的高声阻抗材料227
6.1.1固贴式体声波器件仿真分析228
6.1.2布拉格反射栅的制备及表征237
6.1.3固贴式体声波器件压电堆的制备及表征245
6.2非晶金刚石用作表面波器件的增频衬底277
6.2.1层状结构中的声表面波特性研究278
6.2.2非晶金刚石对声表面波的增频作用281
6.3小结283
参考文献283
第7章金刚石色心：性质、合成及应用287
7.1金刚石色心缺陷简介287
7.2NV色心289
7.2.1NV色心光谱290
7.2.2NV色心能级结构291
7.2.3NV色心自旋特性及调控方法291
7.3硅相关的色心295
7.3.1离子注入获得金刚石SiV色心296
7.3.2纳米金刚石SiV色心297
7.4其他金刚石色心299
7.4.1镍相关的色心299
7.4.2铬相关的色心300
7.4.3锗相关的色心300
7.5金刚石荧光特性及应用304
7.5.1金刚石荧光光谱特性304
7.5.2荧光纳米金刚石合成306
7.5.3细胞荧光成像309
7.5.4癌症诊断与治疗311
7.5.5亚衍射成像312
7.5.6量子信息处理313
7.6挑战与展望315
参考文献316
关键词索引321