立方氮化硼单晶电致双折射及电致真空紫外发射的研究

本论文所研究的立方氮化硼（Cubic boron nitride,cBN）材料，目前只有人工制备的，至今在自然界还未发现天然的。虽然cBN是最简单的III-V族化合物，但是目前还不能生长大块的单晶，只能在高温高压的条件下通过相变制备尺寸最大只有几个毫米的单晶。经过人们努力研究，目前已经发现cBN具有很多优良的力学、热学、电学与光学等性能。作为电子材料和光电子材料，cBN具有广阔的应用前景，所以它的材料的制备、各种物理性质的深入研究及其在各方面的应用受到人们的极大关注。本文主要对高温高压下合成的非故意掺杂的cBN单晶的线性电光张量的测量、非线性伏安特性、在大气环境中光电激发等离子体以及电致真空紫外发光（VUV）进行了研究。对cBN单晶的线性电光张量进行了精确的测量。cBN是一种人工合成的宽禁带半导体材料，禁带宽度为6.3eV，在III-V族化合物中具有最大的禁带宽度。cBN晶体在整个可见光谱范围以及红外与紫外光谱的很大范围内都透明，并且拥有很高的光强损坏阈值。cBN晶体具有闪锌矿结构和43m对称性，因此具有线性电光效应。用cBN晶体进行电光调制能够实现短波长和高光强调制，是一种潜在的电光材料。对cBN晶体的电光张量进行测量不但对电光材料方面的应用是必要的而且对于其他方面的研究（如cBN的拉曼效应以及cBN与各向同性介质界面间产生的表面波的传播控制等方面）也是先决条件。把cBN晶体加工成长方体进行电光张量的测量比较方便而又准确。而cBN的硬度仅次于金刚石，目前人工合成的cBN晶体的尺寸普遍很小，把cBN晶体加工成长方体进行电光张量的测量有相当大的难度，目前我们尚未见报道。我们根据所获得的cBN晶体样品具有片状八面体形状和八个面都是{111}的特征，考虑到cBN晶体的解理面是{110}面，利用解理以及研磨和抛光的方法，把大约0.3mm×0.3mm×0.1mm片状八面体结构的cBN晶体加工成长方体形状。我们利用横向电光调制系统，用650nm连续波半导体激光器作为光源，在cBN单晶长方体样品上进行了横向电光调制实验。通过对该cBN单晶样品电致双折射特性进行深入研究，发现用它建立的横向电光调制系统输出的电光信号包括可以被分别测量的两个部分，其中一个信号与调制电压无关，另一个与调制电压相关。利用测得的两个电光信号可以精确地获得cBN晶体的线性电光张量。提供了不需要测量绝对光强就可以精确测定线性电光张量的方法。应用此种方法，首次精确地测定cBN单晶线性电光张量中三个全同的非零元素为3.95pm/V，比理论计算值约大一个数量级，比AlN、GaN、GaAs和GaP等III-V族化合物的线性电光系数都大。证明cBN晶体是从红外到紫外光谱适用范围很宽的电光晶体，具有非常广阔的应用前景。利用平行板电极结构以及针板电极结构分别对cBN晶体进行了伏安特性的研究。对于平行板电极结构利用陷阱作用的空间电荷限制电流理论对伏安特性进行了分析。八个面都是{111}面的片状cBN单晶样品的两个大面一般近似正六边形。六边形的大面被三条相距最远的顶点的连线把片状cBN单晶样品划分成六个三角形区域。三个区域无色透明，另外三个区域虽然也透明，但是具有琥珀色。两种不同颜色区域交替分布。相同颜色的区域彼此互不相邻，被另外颜色的区域隔开。对于针板电极结构，经实验我们发现探针接触cBN晶体不同颜色区域，伏安特性呈现出明显的不同。探针接触cBN晶体无色区透明区时，电阻率高；而探针接触cBN晶体有色区时，电阻率相对低。可能的原因是cBN单晶无色透明区含杂质和缺陷少，是近本征的，故电阻率高；cBN单晶有色区含有较多的杂质和缺陷，禁带中有较多的能量状态，故电阻率较低。根据cBN晶体与探针接触的区域颜色的不同应分为两种情况来讨论。无色透明区的情况，伏安特性曲线可以利用Fowler-Nodheim隧道效应来进行解释。有颜色区域的情况，伏安特性曲线可利用空间电荷限制电流理论来进行解释。对于伏安特性的研究将为cBN单晶的电致VUV发射提供理论支持。首次研究了在大气环境中使用cBN单晶片通过极不均匀电场激发产生等离子体现象。人工生成低温等离子体的方法主要是气体放电。大气环境中气体放电产生的低温等离子体最适合工业应用，因此人们一直在这方面努力开展研究。针电极与平板电极之间产生的电场是各种电场中最不均匀的电场，而且在针尖处电场最强。理论上针尖尺寸趋近无穷小，电场强度趋近无穷大。所以在针-板电极之间施加直流高电压可以使电极间隙中的气体电离，出现电晕放电，产生低温等离子体。在大气环境中把未故意掺杂的cBN单晶片放在针-板电极之间，晶片的两个平面分别与两个电极紧密接触，cBN单晶片取代了空气隙，然后在两个电极之间施加与空气隙比较相对较低的直流电压，出现与一般电晕放电不同的气体放电，随着电压的增加似乎经过辉光放电过渡到弧光放电，产生低温等离子体。当针电极为负极性时，明亮的蓝紫光包围着针，由针尖向针的另一端扩展一段距离。当针电极为正极性时，明亮的蓝紫光沿着cBN单晶片上表面离开针尖向周围扩展。同时出现电流控制型微分负阻现象。单晶片为尺寸约为0.3×0.3×0.1mm左右未故意掺杂的琥珀色单晶片，电极接触的两个平面都是{111}晶面；钨针电极的针尖的直径大约是10μm，平板电极的材料是黄铜；针-板电极之间施加的直流电压大小在700-1200V之间。而用类似的石英片、云母片替换cBN单晶片则无上述现象发生。在大气环境中使用cBN单晶通过极不均匀电场激发的等离子体，不仅仅是电场使空气电离产生的。最初的空气放电可能是cBN单晶被极不均匀电场激励所发射的波长149nm的VUV电离了空气，然后在极不均匀电场的作用下维持空气放电，产生低温等离子体。这为大气下生成低温等离子体提供了一个新的思路。首次观测到极不均匀电场中cBN单晶VUV的发射。VUV在军事、工业、科研和日常生活等许多方面都有广泛的应用。在真空室中把未故意掺杂的cBN单晶片放在针-板电极之间，晶片的两个平面分别与两个电极紧密接触，然后在两个电极之间施加适当的直流电压，能够产生cBN单晶VUV的发射。真空室的真空度在3×10-3Pa—7×10-4Pa之间；单晶片为尺寸约为0.3×0.3×0.1mm左右未故意掺杂的琥珀色单晶片，电极接触的两个平面都是{111}晶面；钨针电极的针尖的直径大约是10μm，平板电极的材料是黄铜；针-板电极之间施加的直流电压极性可正可负，电压大小在600V-1550V之间。在真空度为3×10-3Pa的情况下，使用VUV光谱仪测得的光谱的峰值波长约为149nm。在真空度为7×10-4Pa的情况下，把等离子体电视荧光屏用的绿色荧光粉（BaAl212O19:Mn+）涂在晶片与针尖接触点的周围区域，用肉眼观察到了VUV激发产生的绿色荧光。cBN是一种人工合成的宽禁带半导体材料，它的硬度仅次于金刚石，并且具有许多类似于金刚石的性质。在极不均匀电场中cBN单晶VUV的发射，可以用电子在cBN的能带之间的跃迁和电子与空穴的直接复合过程给予解释。在电场的作用下价带顶Г附近的电子跃迁到能量最低的X能谷，在价带顶Г附近产生空穴。然后X能谷中的电子被电场转移到能量较高的Г能谷中。最后Г能谷中的电子与价带顶Г附近的空穴复合，发射出VUV。cBN单晶作为线性电光晶体、常压下促进产生低温等离子体以及电致VUV发射方面具有非常广阔的前景，值得更进一步的深入研究。