金刚石薄膜中拉曼光谱分析检测方案(激光拉曼光谱)

拉曼光谱快速分析金刚石薄膜的性质 在高能物理学上，一个微米厚或更薄的无定形炭薄膜片用来剥离高速运动的离子上的电子，以增加这些离子的电荷稳定性。在离子束进入到回旋加速器中之前，离子上的电子被直线加速器中的无定形炭薄片剥离出来。在质子束中，电子从H原子或者H-离子中剥离出来。在稀有同位素原子束中，电子从重原子如Ne、 Xe、 Kr，甚至 U中剥离出来。在离子束进入回旋加速器之前去掉这些电子，能够改善离子束带电状态和电荷分布，从而优化离子束能级。 随着离子束能量的增加，炭薄膜片的使用寿命将受到严重影响。如果因薄片的损坏而停工，不仅会对大型、昂贵的设备造成极大的损失。期间还要采取措施把射线对维修工人的辐射降到最低。金刚石具有高导热、高强度、高稳定性、低蒸汽压等优良性能，是在这一应用领域替代无定形炭的一种理想产品。CVD(化学气相沉积法)可以生产出包含sp2键炭和sp3键炭的不同厚度的金刚石薄膜。早期的试验显示了金刚石作为电子的剥离器的优越性，但是仍然不清楚这种优点是由sp2键炭还是sp3键炭引起的。 拉曼光谱提供了一种快速检测sp2键炭和sp3键炭，并计算他们相对浓度的方法。在1332 cm-1和1520 cm-1处的拉曼峰分别作为金刚石和石墨的标志。通过比较这两个峰的强度，可以来比较金刚石和石墨的相对含量。 实验方法及结果 把数控Nd:YAG激光器从标准硅片上切除下来的硅作为剥离电子薄片的基底。然后在这块底片上沉淀结晶1.5um厚的金刚石薄膜。为了得到sp2键炭和sp3键炭相对含量不同的金刚石膜，可以在沉淀过程中通入的不同浓度比例的甲烷和氢气。金刚石薄膜沉淀后，把1cm2的硅底刻蚀掉，留下的金刚石薄膜就像窗户一样悬挂在硅框上，如图1所示。使用B&WTek公司的 iRaman system来测量金刚石薄片的拉曼光谱，激发波长为532nm。从光谱上读取拉曼峰的强度值，并计算强度比值的大小。然后把金刚石薄片放在含有Sn-117 离子束的直线加速器中进行测试。 Raman Average Peak Ratio Life (hrs.) 2.50% 1.024 74:55:30 6.00% 0.961 2:56:45 13.30% 0.922 15:42:40 图2. 薄膜的拉曼光谱 图2是薄膜的拉曼光谱，在1332cm-1 处的拉曼峰显示金刚石的存在。表1数据表明在1332 cm-1和1520 cm-1处拉曼峰强度比值的大小和薄片的使用寿命与金刚石沉淀过程中通入的甲烷的浓度成函数关系。 结论 与无定形炭剥离电子薄片相比，CVD方法制备的金刚石剥离电子薄片在Sn-117离子束中的使用寿命有很大提高，无定形炭薄片在Sn-117离子束的使用寿命仅有8个小时左右。实验表明拉曼光谱能够快速高效分选在含有高、中、低不同浓度的甲烷时制造的金刚石薄片。在含有低浓度甲烷制造的金刚石薄片（sp3键炭含量高）在高能、重离子束中的使用寿命要比其他薄片的使用寿命大一个数量级。 图1 图2 表1