三氧化钼涂布氢封端金刚石表面和其用途制造技术

本发明专利技术提供导电材料，所述导电材料包含选自金刚石或绝缘类金刚石碳的碳基材料，所述材料具有氢封端表面和涂布所述表面的MoO3层；以及制造这类材料的方法。本发明专利技术的导电材料适用于制造电子元件、电极、传感器、二极管、场效应晶体管和场致发射电子源。

【技术实现步骤摘要】
三氧化钼涂布氢封端金刚石表面和其用途相关申请的交叉引用本申请要求2013年4月25日提交的以色列专利申请号225976的权益，所述申请的全部内容通过引用并入本文，其引用程度如同完全在本文中公开一般。
本专利技术涉及导电金刚石表面，更具体地说，涉及显示热稳定性以及优良的薄层电导率和空穴载流子浓度的三氧化钼(MoO3)涂布氢封端金刚石表面，和其用途。
技术介绍
在对于稳固电子装置的探索中，金刚石被选出作为最有利的候选物，然而其掺杂仍然难以解决。由Landstrass和Ravi在1989年发现的由氢封端金刚石空气暴露所引起的独特p型表面电导率(Landstrass和Ravi，1989)开启了基于金刚石的装置的特殊应用，如大功率高频装置(Isberg等，2002；Taniuchi等，2001；Wort和Balmer，2008)、场效应晶体管(Kasu等，2005；Russell等，2012)、纳米级平面掺杂电子装置(Sussmann，2009；Geisler和Hugel，2010)、电化学电极(Poh等，2004；Christiaens等，2006)，和生物电极传感器(Yang等，2002；Lud等，2006；Dankerl等，2011)。金刚石的二维(2D)高p型表面电导率是通过使氢封端金刚石表面(金刚石:H)暴露于高功函数吸附分子，从而导致金刚石近表面的所谓转移掺杂(TD)而引起(Strobel等，2004；Chakrapani等，2007)。如电化学TD模型(Maier等，2000)所解释，电子从金刚石价带最大值(VBM)转移至吸附层的最低未占用分子轨道，从而留下空穴累积层。这导致向上能带弯曲以及形成二维空穴层，所述空穴层从表面延伸至金刚石中仅几纳米，展现了2D量子化(Bolker等，2011)。具有高电子亲和力和高功函数值的若干潜在合适分子已经作为金刚石:H的表面TD的可能候选物加以检查(Ristein和Riedel，2004；Chen等，2009)。已经产生迄今为止所测量到的最高面积空穴密度(5×1013cm-2)的第一个被最广泛研究的吸附分子是水性(H2O)层吸附物(Sauerer等，2001)。在此情况下，TD仅通过将金刚石:H表面暴露于湿空气来获得。然而，所需水覆盖对于环境湿度敏感，并且尤其取决于温度，而温度导致在加热期间H2O逐渐损失，直到在300℃下发生完全解吸附(Laikhtman等，2004)。因此，由此获得的p型导电层受到低可控性和缺乏热稳定性的影响。非常希望发现用于金刚石的有效TD的水的更稳定替代物。已经研究了满足金刚石:HTD条件的若干吸附分子，包括富勒烯(C60)、氟化富勒烯C60Fx(x＝18，36，48)(Strobel等，2006)。四氟-四氰基对醌二甲烷(F4-TCNQ)(Qi等，2007)和最近的MoO3(Russell等，2013)。然而，这些物质的热稳定性未进行研究或发现在高温下不稳定。此外，与水转移掺杂金刚石的电导率值相比，迄今为止研究的所有情况都显示较低的电导率值。因此，需要发现不受上述限制影响的用于金刚石的TD的材料。专利技术概述现在发现，根据本专利技术，使用MoO3作为引起金刚石:H的TD的吸附层产生金刚石:H中的p型导电表面层，其显示高达至少350℃并且历时若干天时间的强热稳定性，并且电性质显著优于由其它吸附层引起的那些电性质，尤其，取决于MoO3表面覆盖，面积空穴密度的变化范围为7×1013到1×1014cm2。因此，在一方面，本专利技术提供导电材料，所述材料包含选自金刚石或绝缘类金刚石碳的碳基材料，其具有氢封端表面和涂布所述表面的MoO3层。在一个特定的这类方面，所述碳基材料是金刚石。在其它方面，本专利技术涉及电子元件；电极；传感器；二极管；场效应晶体管(FET)；和场致发射电子源，各自包含如上文定义的导电材料，更具体地说，其中碳基材料是金刚石。在另一个方面，本专利技术提供在选自金刚石或绝缘类金刚石碳的碳基材料的氢封端表面上沉积MoO3的方法，所述方法包括：(i)将具有氢封端表面的所述碳基材料引入真空室中；(ii)将所述碳基材料加热至100℃至500℃范围内的温度，由此移除碳氢化合物污染物，将水吸附物从所述碳基材料上解吸，并且准备表面条件以用于最佳沉积；(iii)将所述碳基材料的氢封端表面暴露于MoO3蒸气，由此将MoO3层沉积于所述碳基材料的氢封端表面上；以及(iv)重复步骤(ii)和(iii)直到获得所需厚度的所述MoO3层。附图简述图1示出随着层覆盖的变化转移掺杂氢封端金刚石样品的面积空穴载流子浓度(左轴)和薄层电导(右轴)，所述氢封端金刚石样品掺杂有MoO3、H2O(Sauerer等，2001)、F4-TCNQ(如从光电发射测量值(Qi等，2007)来推断)和C60Fx(x＝0，18，38，48)(Strobel等，2006)。出于比较表示的目的，采用平均空穴迁移率值60cm2V-1s-1，将薄层电导设定为与面积空穴密度成比例。图2A-2B示出(2A)随着逆温(1000/T)的变化具有不同厚度的H2O和MoO3的转移掺杂氢封端金刚石样品的面积空穴载流子浓度和薄层电导；在插图中，将具有MoO3的转移掺杂氢封端金刚石样品在室温下的面积空穴载流子浓度的重复测量值作图，显示在若干天的时间内没有变化(2A)；以及随着逆温(1000/T)的变化具有不同厚度的H2O和MoO3的转移掺杂氢封端金刚石样品的迁移率(2B)。图3示出沉积于氢化金刚石上的不同厚度(至)以及沉积于Si上的MoO3薄膜的Mo3dXPS光谱。Mo6+和Mo5+氧化态以两种不同细微差别的灰色来呈现。图4示出沉积于氢化金刚石上的不同厚度(至以及沉积于Si上的MoO3薄膜的C1sXPS光谱。标记的是：C-C整体金刚石组分；表面组分C-H；表面组分污染物碳氢化合物C-Hx；羧基弱特征C-O；拟合峰总和；和实验数据(几乎重叠)。图5A-5B示出随着MoO3厚度覆盖而变化的C1s金刚石整体结合能位置(5A)；和随着MoO3厚度覆盖的变化EF-EVBM值的变化，由C1s金刚石整体结合能位置的XPS测量值和面积空穴载流子浓度相比于温度的霍尔效应测量值而获得(5B)。图6示出氢化金刚石通过MoO3的表面转移掺杂的电荷交换之前(左)和平衡之后(右)的能级图的示意性表示。专利技术详述在一方面，本专利技术提供导电材料，所述材料包含选自金刚石或绝缘类金刚石碳的碳基材料，其具有氢封端表面和涂布所述表面的MoO3层。术语“金刚石”是指具有sp3键合碳原子的纯立方体定向的几乎总是呈结晶形式的碳基材料，即，其中每个碳原子都是共价键合至四面体中的四个其它碳原子的碳基材料。特定的金刚石包括多晶金刚石、纳米晶金刚石、超纳米晶金刚石和同质外延单晶金刚石，各自任选地掺杂有硼、氮、氢、磷或其组合。在某些实施方案中，金刚石是同质外延单晶金刚石，尤其是未掺杂的同质外延单晶金刚石类型IIa。如本文使用的术语“类金刚石碳”是指具有sp3杂化键以及一定量的sp2杂化键的非晶碳相，更具体地说，具有高sp3杂化键含量并且显示金刚石的一些物理性质的材料。类金刚石碳存在于七种不同形式的非晶碳材料中，这些材料都含有大量sp3杂化碳原子。可产生不同形式的类金刚石碳，方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导电材料，其包含选自由以下组成的组的碳基材料：金刚石或绝缘类金刚石碳，所述材料具有氢封端表面和涂布所述表面的三氧化钼(MoO3)层。

【技术特征摘要】
2013.04.25 IL 2259761.一种导电材料，其包含具有氢封端表面和涂布所述表面的三氧化钼(MoO3)层的碳基材料，其中所述碳基材料是多晶金刚石或单晶金刚石。2.如权利要求1所述的导电材料，其中所述三氧化钼层是具有0.1nm至40nm范围内的厚度的单层或多层三氧化钼。3.如权利要求1所述的导电材料，其中所述碳基材料是单晶金刚石并且所述三氧化钼层的厚度在0.1nm至40nm的范围内。4.如权利要求2或3所述的导电材料，其具有高于1x10-6Ω-1的薄层电导，和高于1x1013cm-2的空穴载流子浓度。5.如权利要求4所述的导电材料，其具有在5.3x10-4Ω-1至6.5x10-4Ω-1范围内的薄层电导，以及在8x1013cm-2至2x1014cm-2范围内的空穴载流子浓度。6.一种导电材料，其包含具有氢封端表面和涂布所述表面的三氧化钼(MoO3)层的碳基材料，其中所述碳基材料是纳米晶金刚石。7.如权利要求6所述的导电材料，其中所述三氧化钼层是具有0.1nm至40nm范围内的厚度的单层或多层三氧化钼。8.如权利要求7所述的导电材料，其具有高于1x10-6Ω-1的薄层电导，和高于1x1013cm-2的空穴载流子浓度。9.如权利要求8所述的导电材料，其具有在5.3x10-4Ω-1至6.5x10-4Ω-1范围内的薄层电导，以及在8x1013cm-2至2x1014cm-2范围内的空穴载流子浓度。10.一种导电材料，其包含具有氢封端表面和涂布所述表面的三氧化钼(MoO3)层的碳基材料，其中所述碳基材料是超纳米晶金刚石。11.如权利要求10所述的导电材料，其中所述三氧化钼层是具有0.1nm至40nm范围内的厚度的单层或多层三氧化钼。12.如权利要求11所述的导电材料，其具有高于1x10-6Ω-1的薄层电导，和高于1x1013cm-2的空穴载流子浓度。13.如权利要求12所述的导电材料，其具有在5.3x10-4Ω-1至6.5x10-4Ω-1范围内的薄层电导，以及在8x1013cm-2至2x1014cm-2范围内的空穴载流子浓度。14.一种电子元件，其包含根据权利要求1至13中任一项所述的导电材料。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·卡利什，M·多德曼，
申请(专利权)人：技术研究及发展基金有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL