金刚石薄膜导热系数与反应气体甲烷浓度的关系

　由于导热性质与结晶形态、非金刚石相或其他晶态杂质含量有关，也即与沉积工艺密切相关，因此，人造金刚石薄膜的导热系数可以有很大的差别。人们通常采用扫描电子显微镜、X射线衍射技术、Raman散射分析等手段来检测金刚石膜的表面形貌、结晶形态、非金刚石和其他晶态杂质的存在。通过扫描电子显微镜或X射线衍射技术，可以清晰地看到金刚石晶体的100面(六面体)或111面(八面体)等结晶形态。通过Raman散射分析可以发现，对于天然金刚石，在l332cm处有一尖锐的峰，而对于CVD金刚石膜，特征峰在1335cm处，同天然金刚石特征峰在1332cm处相比存在峰的漂移。同时CVD金刚石在1550cm附近存在1个很宽的峰，相对金刚石特征峰的强度很弱，说明CVD金刚石膜中含有非金刚石相，如非结晶碳或石墨碳相，这些都直接影响导热系数的大小。在通过CVD技术以CH4和H2混合气体生成的金刚石薄膜中，最可能有的杂质是氢，可以通过用RBS和PRD分析技术测出金刚石膜中的氢含量，发现氢含量随着CH4浓度上升呈指数级上升。

我们可以看出，预合金粉导温系数极大地取决于甲烷浓度。当CH4质量分数从0.2％上升到1.0％时，导热系数从7.70W·cm·K急剧下降至0.50W·cm·K，下降程度达一个数量级之多。对介电晶体而言，热量由声子负载传播，声子平均自由程受各种不同的散射限制，造成导热系数与点阵缺陷、扩散缺陷、晶格位错及晶粒边界引起的散射有关，随着CH4浓度的增大，各种散射对声子导热的影响作用增大，从而导致导热系数减小。
 
在该研究中，3个样品的CH4质量分数分别为0.2％、0.5％、1.0％。同时可以看到，随着反应气体中CH4质量分数的增大，晶粒尺寸明显减小。再从Raman散射分析图可以看到，1335cm处峰宽度变大，强度减弱，同时1550cm处峰强度增大。说明石墨碳相含量增大，这些因素导致金刚石膜的导热系数急剧变化。