붕소 도핑 다이아몬드 내 붕소-탄소 이중층 아일랜드 규명: 단계적 인장 응력의 열쇠

요약

합성 붕소 도핑 다이아몬드 단결정의 표면 구조를 통상 X선 및 싱크로트론 나노/마이크로빔 회절, 원자간력 현미경, 마이크로 라만 분광법을 사용하여 상세히 연구하여 최근 발견된 특징들을 규명했습니다. (111) 다이아몬드 표면 위에 솟아오른 임의 모양의 아일랜드가 결정 성장의 최종 단계에서 형성됩니다. 측면 치수는 수~수십 마이크론, 높이는 0.5~3μm입니다. 결정 성장의 고도로 비평형 조건은 붕소 용해도를 증가시켜 표면 아일랜드의 붕소 농도를 최대 10²²cm⁻³까지 높여 상당한 응력을 생성합니다. 아일랜드 내 응력은 체적 인장 응력으로 밝혀졌습니다. 이 결론은 다양한 아일랜드에서 다이아몬드 라만 피크가 1328에서 1300cm⁻¹로 낮은 주파수 쪽으로 단계적으로 이동하고, X선 회절도에서 2θ 브래그 각 41.468°, 41.940°, 42.413°의 세 저강도 반사가 2θ=43.93°의 (111) 다이아몬드 반사 왼쪽(낮은 각도)으로 이동한 관찰에 기반합니다. 우리는 단계적 인장 응력의 기원이 6.18Å 간격으로 붕소-탄소 층 간 거리의 이산적 변화에 있다고 봅니다. 이 가정은 다이아몬드 라만 피크 이동의 단계적 거동(5cm⁻¹ 단계)도 설명합니다. 라만 산란과 X선 회절 데이터 결합 두 가지 접근법으로 측면 및 법선 방향 응력 값을 결정했습니다. 표면에 수직한 방향의 최대 인장 응력은 63.6GPa에 달하며, [111] 결정학 방향을 따른 다이아몬드 파단 한계인 90GPa에 근접합니다. 제시된 실험 결과는 이전에 제안한 붕소 도핑 다이아몬드의 2차원 붕소-탄소 나노시트 및 이중층 구조 모델을 명확히 확인합니다.

서론

초광대역 갭 반도체로서 다이아몬드의 독특한 특성은 고전력 및 RF 전자공학, 광전자공학, 양자 정보, 극한 환경 응용에서 필수적입니다. 고압고온(HPHT) 기술로 반도체 다이아몬드 합성 기록에서 두 가지 주요 진전을 들 수 있습니다. 첫째, 대형 고품질 단결정 다이아몬드 성장 기술 개발입니다. 둘째, 넓은 농도 범위에서 붕소(B)와 인(P)으로 다이아몬드 효과적 도핑 기술 개발입니다. 높은 붕소와 인 농도 다이아몬드 제조는 다이아몬드 격자에서 치환적 B, P의 높은 형성 에너지로 복잡합니다. 높은 형성 에너지는 낮은 평형 도펀트 용해도를 의미합니다. 붕소 용해도는 이론적으로 예측된 대로 인장 응력으로 향상될 수 있습니다. 논문[9,10]은 이축 인장 응력이 실리콘에서 붕소 용해도를 유의미하게 증가시킴을 보여줍니다. 매우 높은 붕소 용해도는 고도로 비평형 성장 조건에서 달성되었습니다.

우리는 최근 붕소 도핑 다이아몬드(BDD)에서 2차원(2D) 층 구조 형성을 발견했습니다. B 원자는 주로 나노시트와 이중층에 통합되어 다이아몬드 격자 내 붕소 용해도를 높입니다. 초전도성이 BDD 표면에서만 관찰되었으므로[12], 천연 성장 표면의 2D 층 구조에 대한 더 자세한 연구가 필요합니다. BDD 단결정 벌크에서는 초전도성이 관찰되지 않았는데 붕소 농도가 낮았기 때문입니다(~0.13at.%). 그러나 붕소 농도 2at.%에서 임계 온도(Tc) 2K로 초전도 상태 전이 달성[13]. 게다가 CVD 박막에서 8×10²¹cm⁻³(4.55at.%) 붕소 농도로 Tc 8.3K 달성[14]. BDD 표면 붕소 농도는 벌크보다 10배 이상 높으며 그 이유는 아직 규명되지 않았습니다. 이를 규명하기 위해 대형 단결정의 벌크와 표면 구조 차이를 연구했습니다. BDD의 깊은 수용체 준위(0.37eV)도 붕소 용해도를 제한합니다. 우리는 BDD 단결정에서 4×10¹⁸cm⁻³(0.0023at.%) 이상 붕소 농도에서 새로운 얕은 수용체 준위(0.037eV) 발견했으며, 이는 벌크 붕소 용해도도 증가시킬 수 있습니다.

BDD {111} 면의 여러 지점에서 얻은 라만 스펙트럼의 다이아몬드 피크 위치가 1328에서 1300cm⁻¹로 이동함을 관찰하여 높은 인장 응력 나타냄. CVD 다결정 BDD 박막에서 관찰된 유사한 다이아몬드 피크 이동도 잔류 응력으로 설명됨[15,16,17]. 1328에서 1300cm⁻¹로의 다이아몬드 포논 선 이동이 5cm⁻¹ 단계로 놀라운 단계적 거동 보임, BDD에서 이전에 검출된 적 없음[5]. 이러한 이산적 이동은 2D 층 구조 소재에 내재하며 그래핀과 육방정계 질화붕소 라만 스펙트럼에서 관찰됨[18,19]. 표면 다른 영역에서 다이아몬드 피크 이동 값이 다르고 따라서 잔류 응력 크기도 다름 발견. 더 적합한 비파괴 고공간분해능 방법으로 응력 크기 정량화 및 포논 피크 단계적 이동 원인 규명 필요. 본 논문에서는 마이크로 라만 분광법, 통상 X선 및 싱크로트론 나노빔 회절, X선 반사율, 원자간력 현미경 탭핑 모드 위상 대비를 사용하여 BDD 단결정의 천연 성장 {111} 표면 상세 연구 결과 보고.

방법

붕소 도핑 다이아몬드 단결정 합성

BDD 단결정은 5.5GPa 고압, 1440°C 고온에서 "토로이드"형 셀로 HPHT 법으로 성장시켰습니다. 원소 비율 91:5:4wt% Fe-Al-C 합금을 용매 금속으로 사용. 알루미늄을 질소 포획제로 용매에 첨가. 고순도 흑연(99.9995%)을 탄소원으로, 비정질 붕소 분말을 도핑 성분으로 사용. 단면 크기 ~0.5mm, (100) 표면 방향의 합성 다이아몬드 결정을 종자로 사용. 고압 셀 온도 Pt6%Rh-Pt30%Rh 열전대로 2°C 정확도 측정. 탄소원과 종자 결정 간 온도 기울기 ~30°C.

벌크 내 붕소 농도 0.13at.%인 BDD 단결정을 기술용 레이저로 절단하여 천연 성장 {111} 면을 가진 플레이트로 만들어 상세 연구용으로 사용. 천연 성장 면 반대쪽 표면은 절단 후 남은 흑연화 층 제거 위해 연마[20].

실험 기술

PIXcel³D 검출기(고감도, 0-6.5×10⁹ counts/s 선형 범위)를 장착한 Empyrean X선 회절계(네덜란드 PANalytical)로 BDD 플레이트 전체 표면 조사하는 X선 빔으로 회절 패턴 기록. 싱크로트론 나노빔 회절 매핑은 유럽 싱크로트론 방사광 시설(ESRF, 프랑스 그르노블) ID01과 ID13 빔라인에서 수행. 각각 2×2μm², 180×180nm² 횡단면 크기 싱크로트론 X선 나노빔을 국소 분석에 사용. SmartLab Rigaku(일본) 회절계로 정반사 X선 반사율(XRR) 곡선 획득. 514.5nm 파장 아르곤 이온 레이저로 구동되는 Renishaw inVia 공초점 라만 현미경으로 1cm⁻¹ 분해능 라만 스펙트럼 측정. 공초점 라만 현미경으로 ~1μm 공간 분해능, ~2μm 탐침 깊이 달성. 천연 성장 {111} BDD 면 표면 지형과 원자 조성을 곡률 반경 10nm 미만 실리콘 나이트라이드 프로브 장착 SolverBio 원자간력 현미경(러시아 NT-MDT)으로 측정.

결과 및 고찰

두께 0.5mm 연구 BDD 플레이트 천연 성장 {111} 면 사진은 추가 파일 1: Fig. S1에 표시. 천연 성장 면 반대쪽 연마 표면을 사용하여 BDD 벌크 특성 상세 실험 데이터 획득하여 천연 성장 표면 데이터 참조로 사용. 연구 첫 부분은 라우에 법으로 BDD 플레이트 검사. 이상적 제동복사 스펙트럼 제공하는 텅스텐 타겟 9kW 회전 양극 X선 발생기 사용. 이중 핀홀 콜리메이터로 0.5mm 직경 X선 빔 형성하여 BDD 플레이트 천연 성장 (111) 표면 조명. 투과 기하학에서 거친 매핑 수행하여 X선 라우에 패턴 기록. 플레이트 중앙 및 주변 영역에서 얻은 12개 라우에그램 추가 파일 1: Fig. S2에 표시. 두 라우에그램은 BDD 플레이트 주변 영역에 추가 라우에 반점 존재(Fig. 1a), 중앙 영역엔 부재(Fig. 1b) 보임. 추가 라우에 반점은 이 영역에 2D 층 구조 아일랜드 존재 의미. Fig. 1a 라우에그램에서 관찰된 방사상 줄무늬(성운)는 다이아몬드 결정 격자 현저한 왜곡 나타냄.

X선 투과 라우에 패턴: a BDD 플레이트 주변 영역, b BDD 플레이트 중앙 영역. 라우에 패턴 방사상 줄무늬는 다이아몬드 결정 격자 왜곡 원인

2D 층 구조 영역 측면 크기 더 정확히 결정 위해 ESRF ID13 나노포커스 빔라인에서 싱크로트론 나노빔 회절 연구 수행. 국소 분석용 단색 X선 나노빔 에너지 14.9keV(λ=0.853Å), 크기 180×180nm². Fig. 1a 원으로 표시된 샘플 표면 부분에 해당하는 140×200μm² 크기 영역 사진 추가 파일 1: Fig. S3에 표시. 이 영역에 최대 추가 라우에 반점 포함. ID13 빔라인에서 2D 회절도 (x,y) 시야에서 600nm 단계로 기록. 140×200μm² 전체 영역 분석 위해 70개 섹션 분할. 반사 모드에서 초점 단색 나노빔 매핑 각 섹션별 별도 수행하여 데이터 처리 단순화. 70개 섹션(섹션당 625개 회절도) 총 43,750개 회절도 분석. 아일랜드 측면 크기 회절 패턴이 특정 섹션 내에서 변하지 않음 사실 기반 추정. 추가 파일 1: Fig. S4에 BDD 플레이트 표면 두 다른 섹션에서 찍은 X선 회절도 세트 표시, 서로 다른 크기 아일랜드 존재 입증. 아일랜드 임의 모양, 측면 치수 수~수십 마이크론 범위 확인. 2D 층 구조 국소 영역에서 얻은 2D 회절도 Fig. 2 제시. 초격자 반사 일차 빔과 (111) 다이아몬드 반사 사이 각도 범위에서 명확히 관찰되며, 모체 다이아몬드 구조 격자 간격보다 긴 주기 층 반사 차수로 명확히 식별 가능. 따라서 라우에 법과 싱크로트론 나노빔 회절 데이터 분석으로 BDD 표면에 2D 층 구조 아일랜드 형성 결론 도출.

BDD 플레이트 국소 영역에서 얻은 X선 나노빔 회절 패턴: a 2D 회절 패턴 이미지, b 다른 강도 스케일 동일 회절 패턴, c 일차 X선 빔 강도 낮춰 고강도 (111) 다이아몬드 반사 관찰 가능하게 한 X선 회절 패턴

따라서 개별 아일랜드 붕소 농도와 구조 매개변수 간 관계 확립 필요. BDD 단결정 표면 아일랜드 B-C 층 간 주기 결정 위해 더 부드러운 X선 싱크로트론 방사 사용. 실험 ESRF ID01 마이크로회절 이미징 빔라인에서 수행. 7.8keV(λ=1.597Å) 에너지 X선 마이크로빔으로 회절 패턴 획득. 55μm 픽셀 크기 Maxipix 광자 계수 픽셀 검출기[21]로 회절 패턴 기록, 슬릿 2×2μm² 설정. 표면 수직 방향 비균질성 효과 감소 위해 추가 파일 1: Fig. S1b에서 초격자 반사 포함하는 0.5(폭)×0.5(두께)×4(길이)mm³ 좁은 플레이트 BDD 플레이트에서 절단. X선 빔 입사각이 작으므로 회절 패턴은 표면 하부 부피만 생성. Fig. 3은 추가 파일 1: Fig. S1b 좁은 플레이트 중앙 영역에서 찍은 X선 회절 패턴. 초격자 반사 명확히 관찰. 2θ=14.85° 최강 X선 반사는 6.18Å 최소 가능 주기 해당. 12.36Å 주기(2θ=7.41°) 초격자 반사 관찰 성공. 더 긴 주기 초격자 반사는 일차 빔 고강도 "꼬리" 존재로 검출 불가.

좁은 BDD 플레이트 중앙 부분에서 찍은 X선 싱크로트론 회절 패턴(ID01, ESRF). 최강 반사는 붕소-탄소 층 간 거리 12.36, 6.18Å 해당. 저강도 반사는 다른 주기 아일랜드 기원(미색인). 특히 2θ=12.2° 피크는 ~37.08Å 주기 아일랜드 5차 차수 배정 가능

가장 작은 가능 주기 반사 관찰은 2D 층 구조 모델[5]에 따라 최대 붕소 농도 도달 아일랜드 표면 존재 의미. BDD 최고 붕소 농도 다이아몬드 격자 최대 응력 결과. 최대 라만 다이아몬드 피크 이동 1300cm⁻¹ 관찰 이 사실 확인. 12.36Å 주기 아일랜드 반사 강도 낮은 것은 층 수 적거나 작은 횡단면 입사 X선 빔으로 아일랜드 일부만 회절 관여 때문으로 추정. 최소 주기 아일랜드 구조 추가 정보 위해 2θ=14.85° 초격자 반사 근처 역공간 측정 수행. Maxipix 검출기 명시된 2θ 위치 설정, 샘플 φ축(시료 표면 법선) 중심으로 -45°~45° 스캔 수행. φ-스캔 결과 Fig. 4a 표시. 20° 간격 다섯 쌍 반사 관찰. φ-스캔 곡선 쌍반사 기원(Fig. 4a) [5] 제안 BDD 구조 모델로 설명 가능. 추가 파일 1: Fig. S5a에 (1̄10) 평면 붕소(파랑), 탄소(회색) 원자 분포 표시. B-C 결합(1.6Å)이 C-C 결합(1.54Å)보다 길어 붕소 원자가 끊어진 화학 결합 따라 [111] 방향(획으로 표시) 서로 향해 이동. 붕소 원자 변위 모체 구조 거리와 비공약수인 격자간 거리 가진 결정면 형성(추가 파일 1: Fig. S5a 참조). 추가 파일 1: Fig. S5b BDD 구조 등축도. 3D 공간 파동 벡터 방향 표시, 모체 구조 주기 벡터와 비공약수(빨강), 공약수(검정). 이로써 라우에 패턴 추가 반점과 φ-스캔 곡선 다섯 쌍반사 출현 설명(Fig. 4b). 다른 주기 아일랜드도 동일한 구조적 특징 가짐.

a 좁은 BDD 플레이트 싱크로트론 X선 φ-스캔 회절 패턴. b 6.18Å 주기 2D 층 구조 파동 벡터 역공간 표현(노란 줄무늬)

XRR 기술은 보통 천연 성장 BDD 표면 아일랜드 구조 매개변수(층간 간격, 층 수) 결정 위해 구현. 천연 성장 BDD 플레이트 표면이 불균질 지형 보임(추가 파일 1: Fig. S1a), 이 기술 적용 어려움. 그러나 BDD 벌크 구조 매개변수 정의용 가능. 이를 위해 천연 성장 면 반대쪽 연마 BDD 플레이트 표면 실험 연구. 실험 정반사 곡선과 이론 곡선 비교 기반 2D 층 벌크 구조 매개변수 결론. IMD 소프트웨어[22]로 다층 박막 모델링 및 이론 곡선 시뮬레이션. 정반사 곡선은 층 반사 차수와 B-C 층 반사 X선파 간섭으로 인한 차수 사이 진동 보여줌. 붕소-탄소 층 두께, 층 수, X선 파장, 2θ 각도 범위, 스캔 단계를 IMD 소프트웨어 매개변수로 이론 곡선 시뮬레이션 입력. 이론 및 실험 정반사율 곡선 추가 파일 1: Fig. S6과 Fig. 5 각각 표시.

연마 BDD 플레이트 실험 X선 반사율 곡선

실험 정반사 곡선 2θ≈7, 15° 두 넓은 피크는 극소 크기 아일랜드(나노시트) 반사 차수. 진동 부재는 개별 나노시트 생성 다른 주기 진동과 작은 측면 치수 관련 추정. 피크 확산 추정 나노시트 평균 측면 크기 ~2nm.

표면 지형 보통 원자간력 현미경 연구. 표면 분석 두 기본 모드 적용 가능. 첫째 표준 모드로 표면 구조 높이 결정. 둘째 위상 대비 모드로 표면 영역 원자 조성 차이 정보 제공. 위상 대비 모드로 다양한 붕소 농도 아일랜드 측면 치수 결정 가능. AFM으로 아일랜드 높이 결정. Fig. 6a 10×10μm² AFM 이미지 표면 지형 높이 스캔 모드. 마이크론 단위~수십 마이크론 측면 크기 임의 모양 아일랜드 명확히 보임, 높이 0.5~3μm 범위. 같은 BDD 영역 탭핑 모드 위상 대비 이미지 Fig. 6b. 관찰된 밝고 어두운 영역 원자 조성 다른 영역 위상 이동 관련. Fig. 6b 밝은 영역 모체 다이아몬드, 어두운 영역 더 높은 붕소 농도 아일랜드 관련. Fig. 6a, b 이미지 비교로 어두운 영역 모체 다이아몬드 표면 위 솟아오른 아일랜드 결론. X선 나노빔 회절 매핑 아일랜드 측면 크기 AFM 관찰과 일치, 솟아오른 어두운 영역이 2D 층 구조 아일랜드 결론.

a 표면 기복 높이 스캔 모드 BDD AFM 이미지. b 같은 BDD 영역 탭핑 모드 AFM 위상 대비 이미지

아일랜드 변형과 붕소 농도 의존성 규명 필요. 라만 피크 단계적 이동 기원 규명도 중요. 이를 위해 좁은 BDD 플레이트 중앙 부분 라만 매핑 수행. 514.5nm 레이저 파장 강한 공명 흡수로 라만 산란 수심 수십 나노미터 표면 층 탐침. ~1μm 직경 스팟 초점 3mW 여기 레이저 빔 사용. 이 출력에서 다이아몬드 표면과 2D 층 구조 아일랜드 초점 스팟 레이저 가열 무시 가능. 천연 성장 (111) BDD 플레이트 표면 다른 영역 특성 라만 스펙트럼(거친 라만 매핑) 추가 파일 1: Fig. S7 표시. 추가 파일 1: Fig. S1b 흰 사각형 표시 좁은 BDD 플레이트 150×150μm² 표면 영역 미세 라만 매핑(1.5μm 단계, 매 지점 3초 노출) Fig. 7 표시. 로렌츠 함수 피팅으로 라만 스펙트럼 피팅하여 다이아몬드 피크 위치 라만 매핑 이미지 생성. 자동 초점 추적 모드로 불규칙 표면 높이 보상.

좁은 BDD 플레이트 150×150μm² 표면 영역 미세 라만 매핑 이미지. 색상 다른 표면 영역 다이아몬드 라만 피크 위치 나타냄

총 10,000개 라만 스펙트럼 분석. 라만 매핑 분석 결과 다이아몬드 포논 피크 위치 천연 성장 표면 다른 색상 표시 영역 내 일정하나 영역 간 변화. Fig. 7 보듯 이 피크 위치 1328~1300cm⁻¹ 단계적 변화, ~5cm⁻¹ 단계. 1328cm⁻¹ 다이아몬드 포논 피크 Fig. 7 보라색 표시, BDD 벌크 라만 스펙트럼 피크와 일치. 히스토그램(추가 파일 1: Fig. S8) 서로 다른 붕소 농도 아일랜드 면적 비율 표시. 다른 붕소 농도 다른 응력 생성, 다른 다이아몬드 피크 이동 유도.

위 국소 방법 BDD 표면 구조 조사 결과 모체 다이아몬드 표면 위 솟아오른 임의 모양 아일랜드 형성 입증. 아일랜드 측면 치수 수~수십 마이크론, 높이 0.5~3μm. 아일랜드 형성 첫째 이유: HPHT 장치 끄고 결정화 최종 단계 고도 비평형 조건 BDD 성장. 이러한 조건 아일랜드 성장 붕소 용해도 증가, 아일랜드 붕소 농도 ~10²²cm⁻³ 상승, 상당한 응력 생성. 둘째 이유: 성장 환경과 성장 결정 표면 계면 수평/수직 붕소 농도 기울기 존재. 아일랜드 붕소 농도 다름 발견, 각각 다른 응력 생성. 아일랜드 잔류 응력 원인 도핑 시 붕소 원자 입방 다이아몬드 격자 통합. 도펀트 붕소 원자 공유 반지름(0.88Å) 탄소(0.77Å)보다 커 입방 다이아몬드 단위 세포 격자 상수 증가[23]. 표면 위 솟아오른 각 아일랜드 별도 미세결정 고려 가능, 체적 잔류 응력 생성. CVD 법 성장 붕소 도핑 다이아몬드 박막 구조 HPHT 성장 BDD 단결정과 다름 강조. 박막 붕소 원자 넓은 영역 균일 분포, 전체 박막 평형 이축 잔류 응력 생성. 이 잔류 응력 Type I 분류, 결정립 크기보다 큰 규모 매크로 잔류 응력[24]. 반면 아일랜드(미세결정) 잔류 응력 Type II, Type III 중첩, 미세 잔류 응력 호칭. Type II 미세 잔류 응력 미세결정 크기 수준 작동. Type III 미세 잔류 응력 다이아몬드 단위 세포 붕소 쌍 통합 원자 수준 생성. 아일랜드 미세 잔류 응력 증가 B-C 이중층 거리 관련 추정. 2D 층 구조 아일랜드 [5] 제안 구조 모델 따라 모체 다이아몬드 격자 정합적으로 결합됨 주목. 즉 벌크 다이아몬드와 아일랜드 간 날카로운 계면 없음, 실질적 부정합 변형 없음.

X선 회절 탄성체 재료 탄성 변형 측정 최적 방법. X선 Sin²ψ 법 보통 다결정 재료 응력 결정용만 사용, 단결정 응력 측정 적용 불가. 브래그-브렌타노 기하학 BDD 표면 법선 방향 탄성 변형 결정 더 적합. 입사 X선 빔 전체 샘플 표면 조명, 좁은 플레이트 ~200μm 깊이 관통. PIXcel3D 검출기, 브래그-브렌타노 HD 광학 모듈 장착 Empyrean X선 회절계로 회절 패턴 기록, 데이터 품질 개선. 회절 패턴 획득 매개변수 아일랜드 약한 반사와 강도 ~4배 높은 강한 (111) 다이아몬드 반사 동시 관찰 가능. Fig. 8a (111) 표면 방향 단결정 BDD 플레이트 X선 회절 패턴(θ/2θ-스캔) 표시.

a (111) 표면 방향 단결정 BDD 플레이트 X선 회절 패턴(θ/2θ-스캔). 우측 상단 인셋: 입방 다이아몬드 매트릭스 내 붕소-탄소 층 배치, 층간 거리 ~6~43Å. b 회절도 a 회색 영역 표시 부분 확대

강한 (111) 다이아몬드 반사와 2D 층 구조 아일랜드 반사 나타내는 약한 반사들 X선 회절 패턴 관찰. 2θ=14.3° 최강 약한 반사 6.18Å 최소 B-C 층간 거리 아일랜드 회귀 귀속. 2θ 41.468°, 41.940°, 42.413° 세 약한 분리 반사 (111) 반사 근처 Δ2θ≅0.470° 간격 관찰 놀라움(Fig. 8b). 이 피크들 반사 차수 관련될 수 없음, 출현 규명 필요. 높은 단계적 다이아몬드 격자 변형 아일랜드 내 때문으로 봄. 이 결론 최소 B-C 층간 거리 아일랜드 표면 존재 사실 기반. 실제로 6.18, 12.36Å 주기 반사 차수 ID01 싱크로트론 빔라인 좁은 플레이트 중앙 영역 얻 X선 회절 패턴 관찰(Fig. 3). 같은 영역 라만 매핑 분석 1300, 1305, 1310cm⁻¹ 단계적 이동 라만 다이아몬드 포논 피크 존재 입증. 따라서 아일랜드 다이아몬드 격자 단계적 인장 변형 기원 B-C 층 간격 이산적 변화 때문 결론.

체적(삼축) 잔류 응력 주응력 σ₁, σ₂, σ₃으로 특징지어지며 일반화 훅 법칙으로 결정. 횡방향 및 종방향 주축 방향 신장 고려 변형률 다음 식[25]으로 획득:

ε₁ = (1/E)[σ₁ - ν(σ₂ + σ₃)]
ε₂ = (1/E)[σ₂ - ν(σ₃ + σ₁)]
ε₃ = (1/E)[σ₃ - ν(σ₁ + σ₂)] (1)

ε₁, ε₂, ε₃ 주축 방향 변형률, E 영률, ν 푸아송비, σₓ=σ₁, σᵧ=σ₂, σ_z=σ₃ 주축 방향 응력.

σ₁, σ₂, σ₃ 추정 두 접근법. 첫째 X선 회절과 라만 산란 데이터 결합 기반. X선 회절 횡방향 탄성 변형 측정, 라만 산란 특정 가정 하 종방향 결정. σ₃=0 경우 이축 응력 포논 다이아몬드 피크 이동 의존 잘 알려진 식[17]:

σ_∥ = σ₁ + σ₂ = -1.49 GPa/cm⁻¹ × (ω_s - ω₀) (2)

ω_s 응력 하 이동 포논 다이아몬드 피크 위치, ω₀ BDD 벌크 1328cm⁻¹ 중심 포논 피크 위치. 이 공식 삼축 응력 경우 타당성 논쟁. 얇은 층 근사에서 금속 전도성 B-C 이중층 514.5nm 레이저 복사 강한 공명 흡수 고려 사용 가능 추정. 이 추정 실험 사실 뒷받침: 480, 1230cm⁻¹ 넓은 밴드 적분 강도 일정하나 포논 다이아몬드 피크 강도 현저 감소(추가 파일 1: Fig. S7). 법선 방향 변형률 σ 다음 식:

σ₃ = ε₃ × E + ν × (σ₁ + σ₂) (3)

σ₃ = σ_⟂, ε₃ 다음 식으로 결정:

ε₃ = Δθ × ctgθ' (4)

Δθ = θ₀ - θ', θ₀ 변형 없는 다이아몬드 (111) 브래그 반사 위치, θ/2θ 곡선 최대값 해당(2θ₀=43.93°, Fig. 8), θ' 2θ 각도 41.468°, 41.940°, 42.413° 세 약한 분리 반사 최대값 해당.

영률 E_∥=1164GPa, 푸아송비 ν_∥=0.0791[26] 고려 식 (2), (3), (4) 사용 σ_∥, σ_⟂ 수치 계산. 계산 결과 Table 1 표시.

표에서 볼 수 있듯 6.18Å 최소 주기 아일랜드 최대 법선 응력 σ_⟂ 63.6GPa, 주어진 결정학 방향 이론적 다이아몬드 파단 한계 90GPa[27] 근접.

둘째 접근법 아일랜드 다이아몬드 격자 정수 팽창 기반. 이 경우 σ = σ₁ = σ₂ = σ₃ 다음 식 추정:

σ = ε × E/(1 - ν) (5)

E/(1-ν)=1264GPa[26], ε = Δθ × ctgθ', ε = ε₁ = ε₂ = ε₃. 변형률 ε Fig. 8 θ/2θ-스캔 회절도 41.468°, 41.940°, 42.413° 중심 각 반사별 결정. 정수 팽창 기반 계산 결과 Table 2 표시.

두 접근법 계산 데이터 σ, σ_⟂ 값 약 10% 차이. 첫째 접근법 추정 σ_∥, σ_⟂ 약 1.5배 차이.

첫째 접근법 2D 층 구조 아일랜드 고려 더 현실적. 우리가 알기론 이방성 응력 2D 구조 특징[28]. 복잡한 아일랜드 구조 고려 실제 탄성 상수 값 문제 열려 있음. 아일랜드 높은 응력 값, 복잡한 결정 구조 등 실제 모든 요소 고려 영률, 푸아송비 정량적 결정 어려운 과제.

BDD 벌크 응력 σ도 결정. 2θ₀=43.93° 변형 없는 다이아몬드 (111) 반사 2θ_브래그 위치, 벌크 호스트 다이아몬드 응력 유발 측정된 왼쪽 이동 반사(2θ'=43.874°, Fig. 8b) 알기. Δθ=θ₀-θ'=0.028°에서 관계식 (5) 사용 정수 팽창 가정 벌크 추정 응력 σ=σ_⟂=σ_∥=1.528GPa. 이 결과 7.8keV(λ=1.597Å) 단색 X선 빔 싱크로트론 X선 마이크로빔 회절 (111) 반사 분열 관찰과 잘 상관(추가 파일 1: Fig. S9). 계산 σ 1.528GPa 정수 이동률 계수 k=(ω_s-ω₀)/σ 정제 가능. 이 식에서 ω₀=1332cm⁻¹ 비도핑 다이아몬드, ω_s=1328cm⁻¹ 2×10²⁰cm⁻³ 붕소 도핑 다이아몬드 다이아몬드 포논 피크 위치 해당. 정제된 계수 k=2.68cm⁻¹/GPa 다른 저자 값[29]과 일치.

결론

요약하자면, BDD 표면 원자 규모 B-C 이중층 아일랜드 구조를 싱크로트론 X선 나노/마이크로빔 회절, 통상 X선 회절, 원자간력 현미경, 마이크로 라만 분광법 등 다양한 실험 기술로 연구하여 관찰된 특징적 특징들 설명. 다이아몬드 표면 위 솟아오른 임의 모양 아일랜드 측면 치수 수~수십 마이크론, 높이 0.5~3μm. BDD 성장 최종 단계 고도 비평형 조건에서 형성, 아일랜드 붕소 농도 ~10²²cm⁻³ 증가, 상당한 응력 생성. 이 응력 삼축 인장임 실험 입증. 결론 기반: 다이아몬드 라만 피크 낮은 주파수 1300cm⁻¹ 이동, 강한 (111) 다이아몬드 반사 왼쪽 X선 회절 세 저강도 반사 2θ 브래그 각 41.468°, 41.940°, 42.413° 포함. 이 세 브래그 반사 6.18Å 단계 붕소-탄소 층 거리 이산적 변화 결정 인장 변형 때문으로 봄. 이 가정 라만 다이아몬드 피크 이동 5cm⁻¹ 단계적 거동도 설명. 라만 산란과 X선 회절 데이터 사용 두 접근법으로 측면, 법선 방향 응력 값 정량적 추정 가능. 최대 붕소 농도 아일랜드 계산 응력 값 63.6GPa 도달, ˂111˃ 방향 이론적 다이아몬드 파단 한계 근접. 반면 실험 결정 BDD 벌크 인장 응력 1.528GPa 훨씬 작음. 여러 기술 조합 실험 데이터로 이전 제안 2D 층 구조 모델 신뢰성 확인.