I：新型稀土永磁材料Nd-Fe-B氧化过程及抗氧化新体系研究II：CuO、Y_2Cu_2O_5、BaCuO_2和RBa_2Cu_3O_(7-δ)超导体磁化率及Cu价态研究

本论文由两大部分组成。第一部分是新型稀土永磁材料Nd-Fe-B氧化过程及抗氧化新体系的研究。Nd-Fe-B永磁体是1983年问世的新型稀土永磁材料。和原有的铁氧体及Sm-Co体系相比，具有磁能积高（50MGOe）。价廉源广，制备简单等三大优点；也有居里温度低（310℃），温度系数大（－0.126%/K），易氧化等三大缺点，我们对Nd-Fe-B合金的氧化过程进行研究，发现该材料热稳定性差，容易发生氧化反应，氧化使材料的结构受到破坏，并给材料的磁性造成不可恢复的损失，整个氧化过程是分阶段的。在室温和干燥的空气中材料基本是稳定的。150℃以下材料磁性受到破坏的主要原因是体系中Nd的氧化。230℃以上材料主体成分Fe也开始氧化，温度升高使反应进程大大加快。到800℃左右反应基本结束，最终产物主要为Fe_2O_3, Nd_2O_3·FeNdO_3和NdBO_3。增加体系中B的相对含量和添加某些新的元素均能提高材料的抗氧化能力，新研制的Nd-Fe-B-Si四元体系和原来的Nd-Fe-B体系相比具有下列显著优点：新体系的抗氧化能力大大提高，经过150℃的长期恒温试验，材料的结构，磁性均未受到破坏，某些体系甚至能在更高的温度下使用，另外，新体系的居里温度Tc也大为提高。比原有Nd-Fe-B磁体高40℃左右。因此该体系是一种大有发展前途的新材料。此外，我们用动态热重法研究了Nd-Fe-B合金的氧化动力学过程，但由于我们新合成的体系构相较为复杂，未能达到预期效果。第二部分是CuO，Y_2Cu_2O_5，BaCuO_2和RBa_2Cu_3O_(7-δ)超导体（R稀土元素）磁化率及铜价态研究，铜的氧化物具有复杂的化学计量关系和磁学性质。在对CuO的磁化率研究中，我们发现在低温区（77K－110K）和一定磁场下，CuO由顺磁突变为抗磁。这种转变与磁场强度有很大关系。这一结果与前人的工作有较大的出入。而与超导体的形为极为相似。所不同的是，转变温度与样品的重量也有关系。实验结果重复。由于铜氧性质在R-Ba-Cu-O超导体中起决定作用，因此有必要对CuO的低温磁性作进一步研究。此外，我们对文献尚未报道的Y_2Cu_2O_5的磁化率在77－300K温度区间进行了测量，发现它是顺磁性物质，室温有效磁矩μ_(eff) = 2.13μB。高于Cu~(2+)的理论有效磁矩（1.73μB）。经过碘量法价态分析，发现Y_2Cu_2O_5中有部分Cu~(3+)，这与磁化率的测定相符合。Tc在90K左右的Y-Ba-Cu-O体系是近期才发现的具有超高温超导材料。该体系有着独特的结构和性质。在对R-Ba-Cu-O及R-Ba-Cu-O-Ag超导体的研究中，我们发现此类超导体属II类超导体，在临界温附近该超导体由顺磁转变为抗磁，此种变化与磁场强度有很大关系，当场强大于一定值后，则观察不到这种转变。在对RBa_2Cu_3O_(7-δ) (R = Y, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm)超导体和具有相同配比但由于合成工艺条件不同而不超导的R'Ba_2Cu_3O_(7-δ) (R' = Y, Sm, Eu, Gd)非超导体的铜价态分析中，我们发现此两类化合物中均含有一定量的Cu~(3+)。且超导体中Cu~(3+)的含量高于非超导体中Cu~(3+)的含量（同样比例）。我们还发现Cu~(3+)对水极为敏感，将RBa_2Cu_3O_(7-δ) (除R = Gd, Dy, Er)超导体在未干燥容器中测出的Cu~(3+)量远远低于干燥容器中所测得的值。我们认为这可能是引起超导体不稳定的重要原因。由于尚缺乏用其它手段检测到超导体中Cu~(3+)存在的例证。故对此问题还有待于今后继续作进一步的研究。

氧的电催化还原和化学修饰电极

本文研究了环反应为非扩散控制的新RRDE理论与相应的新数学处理方法，“聚焦函数”和“切线”法。成功地用上述方法研究了氧电还原反应的机理和求解各步反应的速率常数。研究了扩散层流体动力学扫描的理论，提出了应用快扫转速法测量i-ω曲线，求动力学常数的方法。研究了氧在CoPP/PG电极上的电催化还原和动力学过程。推导了不稳定电极的催化反应速率常数随盘电位和反应电量变化的函数关系。研究了吸附型CoPP/PG电极对H_2O_2的电催化氧化和FePP/PG电极对H_2O_2的电催化还原。研究了四磺化酞青钴掺杂的聚苯胺薄膜（TsPcCo+PA)/GC电极对氧还原反应的电催化行为，提出了六种动力电流的概念和实验求算实际动力电流方程及相应动力电流值的方法。研究了金属原叶啉＝甲酯（MPP, M:Fe, Co, Hz)电化学聚合的机亘，提出了关于中心金属离子在电聚合过程中可能形成一种中间态络合物，促进工烯电氧化成阳离子自由基，引起聚合反应的历程。研究了聚MPP薄膜电极对氧还原反应的电催化行为和动力学过程。研究了通过催化剂在电极表面热处理制备金属四苯基叶啉（MTPP, M:Fe, Co, Ni, Mn, Hz)修饰电极（称HPM/GC)的方法。用多种波谱方法对热处理机理进行了表征。研究了多种因素对HPM／GC电极制备及其对氧还原电催化性能的影响。其中经500 ℃热处理的HPFe/GC和700－800 ℃ 热处理的HPCo/GC对氧还原催化活性增加，稳定性提高一至二个数量级。研究了可溶性聚苯胺（SPA）的合成与溶解方法，并用多种波谱方法进行了表征。研究了分散在不同PH缓冲溶液中的SPA的变色，光谱和电化学行为。研究了SPA在非水溶液中的现场光谱，ESR电化学。研究了聚苯胺（PA）薄膜的化学变色，电位响应和立体化学反应历程。总结了PA变色的规律。

溶液中制取稀土化合物超微粉末

超微粉末由它的大比表面、表面活性及光、电、磁、热等方面的特异性能而引起人们的极大重视。日本、美国等国家对超微粉末的制备、性质、应用等方面作了较详细的研究。我国近几年也开展了这方面的工作。主要是用物理方法制备金属、氮化物超微粉末。化学方法制备超微粉末还比较少，且方法还在探索之中，尤其是对稀土化合物超微粉末的研究鲜见报道。稀土在各种材料中有着广泛的用途。为提高稀土材料的性能，使其有新的、更高的应用价值，制备稀土化合物超微微粉末是完全必要的，超微粉末的制备也会给研究稀土元素的本征性质创造条件。本文首先合成了稀土陶瓷粉末Y_2O_2稳定的ZrO_2超微粉末，对其三种化学制备方法进行了研究比较。认为：水热法制备Y_2O_3稳定的ZrO_2超微粉末，其程度与溶液的pH值，NH_4OH的浓度和滴加速度有关。此法得到粉末产量较低，粒度较小，有轻微的因聚现象。沉淀法制备也需严格控制NH_4OH的浓度和滴加速度，沉淀物是体积庞大的凝胶，过滤、洗涤困难。水解法操作方便，得到的产品产量较高，粉末粒度较小、均匀、易分散。综合比较结果，水解法有可能成为大量工业生产的方法。用水解法制备了不同Y_2O_3含量(原始配料：3～30mol％）的ZrO_2超微粉末。Y_2O_3含量<10mol％时，得到的是部分稳定的氧化锆粉末；>10mol％时，得到的是全稳定的立方相氧化锆粉末。粉末粒径<0.01μm。用EDTA络合滴定法分析了产物中钇、锆含量。观察了温度对水解后的Y_2O_3稳定的ZrO_2淀淀的粒度、形状、结构等影响。200～800 ℃灼烧得到的粉末形状清晰、颗粒度小。温度低于400 ℃，为无定形粉末，800 ℃时基本完全晶化为微晶。此微晶X-ray衍射峰较宽，衍射峰出现位移，导致Y_2O_3稳定的ZrO_2超微要较纯四方相ZrO_2粉末的晶胞参数小。从热力学上，分析了影响Y_2O_3－ZrO_2超微粉末的核形成与核生长速度的因素。用醇盐法制备了系列稀氢氧化物、氧化物超微末，异对其形貌、粒度、结构进行了研究。以不同的衡土氢氧化物、氧化物超微粉末为例，做了热稳定性，表面活性，催化活性等方面测试比较。稀氢氧化物，氧化物超微粉末具有不同的形状，大部分粉末粒度均匀、分散好。轻稀土氢氧化物超微粉末大部分为结晶形，而重稀土氢氧化物大半为无定形。氧化物粉末，除La_2O_3为立方晶系外，其它全部为立方晶系的微晶。热分析仪测定了超微与普通Nd(OH)_3粉末的差热、热重情况吸热峰 面积超微大于普通粉，不同温度下的失重超微多于普通粉。证实了超微微粉末的比表面大、吸附量大。首次研究了超微粉末的表面光电压光谱，为探讨超微粉末性质又提供了一种手段。稀氧化物超微化皇，表面光电压谱相对强度增强。说明超微粉末面电子与表面空穴增多，由此使得表面活性增大。用La_2O_3粉末做了邻苯二甲酸二辛脂的合成的催化性能比较超微粉末的催化活性高于普通粉末。用醇盐法合成了复合氧化物La_2O_3－Al_2O_3超微粉末。

稀土金属La、Nd等在自身氯化物熔盐中溶解过程的研究

本文首次采用实验方法和理论计算相结合，从宏观性质到微观结构进一步深入研究了稀土金属与熔盐的相互作用。藉透明电解槽技术和电化学弱极化方法首次研究了稀土金属La、Nd在各自氯化物熔盐中的溶解过程。采用计算量子化学方法初次计算了金属原子La、Nd等与熔盐中的离子相互作用。并从稀土离子间反应的能量角度讨论了稀土低价离子的稳定性。1）从透明电解槽中观察了金属La、Nd分别在盐Lacl_3+Kcl、NdCl_3kcl体系中溶解时，均产生黑色的金属雾。熔体被金属雾充满而完全不透明分别需要1分半和1分的时间。金属Nd的溶解速度明显快于金属La。其两者的溶解过程可初步认为：1）首先以一些凝聚粒子团进入熔体；2）然后同它们各自熔盐发生化学作用，生成不同价态的离子。经X－射线分析发现熔盐试样中存在La~(2+)、Nd~(2-27+)、Nd~(2-27+)、La~(2+)离子以及Nd、La中性原子。在等摩尔Kcl+Nacl熔盐体系中，金属La、Nd溶解时也将产生黑色的金属雾，但数分钟后，熔体被金属雾充满而呈暗黑色。金属的溶解可能以物理溶解为主。金属Nd在该熔体中的溶解速度也明显大于金属La。以上对La、Nd金属雾的产生过程观察尚未见报道。2）在阴极极化条件下，我们初次发现了金属La、Nd在各自Lacl_3+kcl、Ndcl_3+kcl熔盐中的溶解扩散速度将受到一定程度的抑制，但远不能阻止金属的产生以及扩散于整个熔体中。极化条件下，发现Nd熔体中的金属雾扩散仍然比La熔体中的要快。在等摩尔kcl+Nacl熔盐体系里，阴极极化仍然不能阻止金属Nd的溶解。3）采用电化学弱极化方法首次测定了金属La、Nd分别在Lacl_3+kcl+、Nacl、Ndcl_3+Kcl+Nacl体系中的电化学溶解速度。其自溶解电流密度值分别为:17.4Am/cm~2和29.9Am/cm~2（800℃）以及26Am/cm~2和46.9Am/cm~2(860℃)。增加体系的温度，将有利于金属La、Nd的电化学熔解。金属Nd的电化学溶解速度大于金属La。4）量子化学EHMO计算表明，稀土金属La、Nd、Y溶解于各自熔盐中，不再保持电中性，而是与周围邻近离子发生化学作用，生成低价离子。计算还表明在La~(3+)/Ce~(2+)、Nd~(3+)/Nd~(2+)离子之间，发现有电子云重叠现象。其重叠集居数依次为0.407、1.37和0.18。我们提出有形成原子簇离子的可能。关于La、Nd金属雾呈黑色可根据熔盐中生成的低价离子以及所形成的原子簇离子的吸收光谱性质来加以说明。根据稀土原子的各级电离能，计算了稀土离子（或原子）之间反应的热能。计算表明熔盐中 R_E~(2+)离子较R_E~(1+)离子稳定存在的可能性大。随着La、Ce、Pr、Nd顺序变化，稀土原子与其自身熔盐作用生成低价离子的稳定性趋势增强。这可能是稀土金属在其自身熔盐中的溶解度随La、Ce、Pr、Nd顺序变化而增加的一个缘故。

生物活性有机锗倍半氧化物的合成，结构和性质的研究

自1968年浅井等合成β-羧基乙基锗倍半氧化物（Ge-732），并发现其广谱抗癌和保健作用以来，有机锗化合物合成及生物活性的研究相当活跃。有机锗倍半氧化物，由于具有低毒和广泛的药理作用而倍受重视。二十年来，虽对Ge-732及其衍生物和其他有机锗化合物进行了相当广泛的研究，但作为临床便用的锗药物尚未见文献报导。另外，有机锗化合物的结构-生物活性关系也有待搞清。合成新型有机锗化合物，深入研究它们的结构和性质，进行抗癌活性试验提示其结构-活性关系，仍是十分有意义的课题，为此，我们开展了以下几个方面的研究。一、合成了Ge-732的中间体Cl_3GeCH_2CHRCOOH （R=H，CH_3）单晶，用X-射线衍射法确定了晶体和分子结构，晶体分属单斜和三斜晶系，P21/n和P1-bar空间群，Ge原子与三个Cl原子和一个羧乙基（甲基羧乙基）C原子以a键连结，形成不规则的四面体几何构型，分子靠羧基间氢键缔合为二聚体。TG-DTA和MS研究发现Ge-Cl键易断裂，是化学反应的活性部位，通过IR和Raman光谱较完整地分析了分子振动的各模式。改进了Ge-732的文献合成方法，缩短了合成时间，产率提高到80%以上。发现用不同方法制备的Ge-732由于聚合度、Ge-O大环天度及氢键强度不同，其IR光谱、热分解温度等存在一定差异。二、合成了16种β-酚酯乙基锗倍半氧化物（GeCH_2CHRCOOAr）_2O_3和8种β-烃基酰胺基乙基锗倍半氧化物（GeCH_2CHRCONHR'）_2O_3，通过多种手段主宰了它们的组成和结构。IR光谱的重要特点是800 ～ 900cm~（-1）出现两个V_（Ge）吸收峰，FAB-MS证明上述衍生物结构中同样存在Ge-O-Ge-O大环，系列衍生物的Ge_3p，Ge3d电子结合能接近，说明不同衍生物中Ge原子所处的结构环境基本相同。粉末X-射线衍射谱表明（GeCH_2CHRCOOAr）_2O_3衍生物的晶体结构与Ge-732类似。因增加了酚酯或酰胺基团，亲脂性提高，能延长在体内的代射时间，而可能具有比Ge-732更强的抗癌活性。三、合成了N-（5-F尿嘧啶-N_1）酰胺基基锗倍半氧化物，通过IR光谱，元素分析确定了组成和结构，该人物可能具有抗癌和增强机体免疫功能的双重作用。四，观察了三种（GeOH_2CHRCOOAr）_2O_3对体外HeLa细胞（人宫颈癌细胞）和二倍体细胞（正常细胞）培养的影响，发现对二倍体细胞基本无影响，而对HeLa细胞分裂有相当明显的抑制作用细胞形态发迹对细胞的分裂抑制作用与苯环取代基有关，证明苯环修饰部分参予生物作用在上述实验基础上，用其中一种人物进行了载瘤鼠的给药试验，发现体内癌细胞中三种酶含量降低，因而抑制小鼠腹水癌细胞的生长。但在体外细胞培养中也发现，（GeCH_2CHRCOONHR'）_2O_3对胃癌细胞分裂无明显抑制，药理作用机制可能与酚酯衍生物不完全相同。

聚合物载体茂金属催化剂的制备及其烯烃聚合

本文采用苯乙烯、4-乙烯吡啶为单体，自由基聚合得到交联的苯乙烯-4-乙烯吡啶 共聚物。用上述共聚物为载体，表面处理后来负载均相茂锆Cp_2ZrCl_2形成聚合物载体茂锆催化剂。探讨了不同合成路线、合成条件对最终催化剂性能的影响。制备路线、表面处理及载体自身条件（含N量、交联度、粒度）是影响载体催化剂性能的重要因素。对这种新型的聚合物载体茂金属催化剂进行了深入的表征。XPS 及红外光谱分析推断形成了阳离子活性中心，并由此推出活性中心形成过程的假设。采用上述合成的聚合物载体茂金属催化剂催化乙烯均聚及乙烯/α-烯烃共聚合。探讨了不同聚合条件对催化活性、聚合物的性能的影响。该催化剂在高温下稳定，产品的堆密度随反应温度的升高而降低，分子量在50℃左右出现极大值，故采用50～60℃。Al/Zr 在500-800活性基本接近最大值，故Al/Zr取600-800。催化剂效率对催化剂浓度在4 * 10~（-5）M-20 * 10~（-5）M范围内不敏感。其聚合反应动力学曲线表明其聚合要比均相催化剂稳定得多。对乙烯均聚物的表征明所得PE含有一定支链（或侧链）；且分了量分布窄，分子量高。长链α-烯烃的加入，在一定范围内会对乙烯聚合有促进作用，α-烯烃深度继续增大，催化活性减小；聚合产物中α-烯烃单元的含量一直增加，聚合物粒子形态先逐渐长实，后疏松开裂，最后到无颗粒的弹性体状。共聚温度升高，使共聚单元含量有提高；不同α-烯烃对共聚反应不同，该载体催化剂顺序为1-辛烯＞1-己烯＞1-癸烯。对乙烯/1-己烯共聚物的~（13）C-NMR研究和溶剂萃取分级实验表明，共聚物中1-己烯分布均匀，几乎不存在聚集在一起的HHH片段，1-己烯单元几乎全部被以E-H-E序到的方式分隔开。

海南长臂猿(Nomascus hainanus)生境变化与潜在适宜生境研究

海南长臂猿(Nomascus hainanus)是世界上最濒危的灵长类之一，曾经广泛分 布于海南岛的低海拔地区，但现已濒临灭绝；生境变化被认为是它的主要致危因 素之一。为了探讨过去十多年中它们的生境变化原因和变化趋势，并在整个海南 岛内寻找它们的潜在生境，为制订保护计划提供帮助，我们利用遥感和地理信息 系统技术对海南长臂猿的生境状况进行了分析。海南长臂猿的高质量生境是成熟 的山地雨林和沟谷雨林，根据卫星遥感影像的识别能力，我们把成熟林定义为海 南长臂猿的适宜生境，通过对1991 年和2001 年拍摄的Landsat 卫星影像的解译， 我们分析比较了海南岛林地在这十年内的变化情况；通过这两个时期成熟林不同 大小斑块数量与面积的比较，以及成熟林平均斑块面积、斑块密度、斑块之间的 最近距离平均值、最大斑块所占面积等四个破碎化参数的计算，分析了海南长臂 猿高质量生境十年来的生境破碎化趋势；还对不同海拔带的人工林、天然林以及 成熟林的变化情况进行了比较；进而通过海南岛林地变化与社会和经济因素相关 性分析对海南长臂猿生境变化的原因进行了探讨。 结果显示，海南岛的成熟林面积由1991 年的157,927 hm2 减少到2001 年的 107,597 hm2，降低了32％；大小分别为10 hm2、25 hm2、50 hm2、100 hm2、200 hm2 的成熟林斑块的面积和数量都有所下降，并且自然保护区外的下降程度比自 然保护区内严重，省级自然保护区的下降程度比国家级自然保护区的严重。海南 岛现存最大的成熟林斑块位于鹦哥岭省级自然保护区。在这十年中，成熟林破碎 化程度加重，具体表现为平均斑块面积减少、斑块密度增加、斑块之间最近距离 平均值减小、最大斑块所占面积减少。在0-800 m 海拔带上，成熟林的下降比率 达到了36％，在这个海拔带上的人工林面积已远远大于天然林，在800-1400 m 海拔带上，成熟林的下降比率为23％，天然林的面积大于人工林。统计分析显 示当地的农业人口和农业总产值与成熟林的面积呈显著负相关(R =-0.534 P＜ 0.01；R =-0.512 P＜0.01)，同时农业人口与人工林和耕地面积呈显著正相关(R =0.611 P＜0.05；R =0.759, P＜0.05)，这说明成熟林下降与人口增长带来的耕地 扩张以及为了追求经济增长而大量种植人工林密切相关。而海南长臂猿曾经广泛分布在低海拔地区，这一带上大面积的生境丧失使它们的种群在短期内濒临灭 绝。 为了对未来海南长臂猿的生境保护和种群恢复提供帮助，我们利用地理信息 系统Arcgis 软件分析了海南长臂猿2001 年的生境空间分布格局，以成熟林的面 积和距离为指标预测了海南长臂猿的潜在适宜生境。结果显示，至2001 年，海 南岛除了白马岭、南高岭、抱龙、俄贤岭四个地方外，长臂猿的适宜生境多半分 布于自然保护区内；海南长臂猿目前唯一的分布地位于昌江县和白沙县交界的坝 王岭自然保护区，并且只活动于核心区内的一小块地区，此处有两段公路在使用 中，对海南长臂猿的保护不利。 根据上述研究结果，我们建议政府采取措施严格控制海南长臂猿潜在适宜生 境分布地的人口增长，切实执行天然林保护法，并设法恢复低海拔地带的天然植 被。建议在白马岭、南高岭、抱龙、俄贤岭建立四个新的自然保护区，把鹦哥岭 自然保护区从省级提升到国家级。在坝王岭自然保护区的低海拔地带种植本土速 生树种，将海南长臂猿活动区周围的小斑块与大斑块连接到一起，并设法消除该 保护区内两段公路对海南长臂猿的较大负面影响，提高海南长臂猿的生境质量并 扩大其活动范围。同时在自然保护区周边社区大力开展环境保护教育，努力使当 地人可以从生态系统保护中受益。

RECRYSTALLIZATION, IMPURITY MIGRATION AND OPTICAL ACTIVATION OF YB-IMPLANTED SILICON INDUCED BY RAPID THERMAL ANNEALING

The rapid thermal annealing temperature dependence of the recrystallization, Yb migration and its optical activation were studied for Yb-implanted silicon. For the annealing regime 800-1000-degrees-C, the Yb segregates both at the crystal/amorphous interface and at the surface, which is different from the usual segregation of Er at the crystal/amorphous interface, and the efficiency of optical activation also increases with annealing temperature. However, the amorphous layer regrows completely and no photoluminescence is observed after the annealing at 1200-degrees-C.

RADIATIVE RECOMBINATION IN N-TYPE AND P-TYPE GAAS COMPENSATED WITH LI

We report fundamental changes of the radiative recombination in a wide range of n-type and p-type GaAs after diffusion with the group-I element Li. These optical properties are found to be a bulk property and closely related to the electrical conductivity of the samples. In the Li-doped samples the radiative recombination is characterized by emissions with excitation-dependent peak positions which shift to lower energies with increasing degree of compensation and concentration of Li. These properties are shown to be in qualitative agreement with fluctuations of the electrostatic potential in strongly compensated systems. For Li-diffusion temperatures above 700-800-degrees-C semi-insulating conditions with electrical resistivity exceeding 10(7) OMEGA cm are obtained for all conducting starting materials. In this heavy Li-doping regime, the simple model of fluctuating potentials is shown to be inadequate for explaining the. experimental observations unless the number of charged impurities is reduced through complexing with Li. For samples doped with low concentrations of Li, on the other hand, the photoluminescence properties are found to be characteristic of impurity-related emissions.

WELL WIDTH DEPENDENCE OF THE EXCITON LIFETIME IN NARROW GAAS/GAALAS QUANTUM-WELLS

We have studied the radiative excitonic lifetime as a function of the well width in GaAs/GaAlAs quantum wells. An increasing lifetime with decreasing well width has been observed in very narrow and high quality GaAs/GaAlAs quantum wells, and attributed to the reduced overlap of the electron and hole wave functions and the increase of the exciton effective volume. This is the first observation of its kind in the conventional GaAs/GaAlAs quantum wells.

INVESTIGATION OF THE GROWN DIAMOND (100) SURFACE USING HIGH-RESOLUTION ELECTRON-ENERGY LOSS SPECTROSCOPY

The diamond (100) facets deposited at initial 1.0% CH4 have been investigated using high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS). The diamond (100) facets grown at 800-degrees-C are terminated by CH2 radicals, and there is no detectable frequency shift compared with the characteristic frequencies of molecular subgroup CH2. Beside the CH2 vibration loss, CH bend loss (at 140 meV) of locally monohydrogenated dimer is detected for the diamond (100) facets grown at 1000-degrees-C. Dosing the (100) facets grown at 800-degrees-C with atomic hydrogen at 1*10(-6) mbar, the loss peak at 140 meV appears. It is suggested that there are enough separately vacant sites and uniformly dispersed monohydrogenated dimers on (100) facets. This structure relaxes the steric repulsion between the adjacent hydrogen atoms during the diamond (100) surface growth.

A DUAL ION-BEAM EPITAXY SYSTEM

The design and characteristics of a dual ion beam epitaxy system (DIBE) are discussed. This system is composed of two beam lines, each providing a mass-separated ion beam converging finally with the other into the target chamber. The ions are decelerated and deposited on a substrate which can be heated to a temperature of 800-degrees-C. Currents of a few hundred microamperes are available for both beams and the deposit energies are in the range from tens to 1000 eV. The pressure of the target chamber during processing is about 7 x 10(-6) Pa. Preliminary experiments have proved that compound semiconductor materials such as GaN can be synthesized using the DIBE system.

DIRECT ION-BEAM DEPOSITION OF CARBON-FILMS ON SILICON IN THE ION ENERGY-RANGE OF 15-500 EV

Direct ion beam deposition of carbon films on silicon in the ion energy range of 15-500 eV and temperature range of 25-800-degrees-C has been studied. The work was carried out using mass-separated C+ and CH3+ ions under ultrahigh vacuum. The films were characterized with x-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, transmission electron microscopy, and transmission electron diffraction analysis. In the initial stage of the deposition, carbon implanted into silicon induced the formation of silicon carbide, even at room temperature. Further carbon ion bombardment then led to the formation of a carbon film. The film properties were sensitive to the deposition temperature but not to the ion energy. Films deposited at room temperature consisted mainly of amorphous carbon. Deposition at a higher temperature, or post-deposition annealing, led to the formation of microcrystalline graphite. A deposition temperature above 800-degrees-C favored the formation of microcrystalline graphite with a preferred orientation in the (0001) direction. No evidence of diamond formation in these films was observed.

CONSTRUCTION AND APPLICATIONS OF A DUAL MASS-SELECTED LOW-ENERGY ION-BEAM SYSTEM

A direct ion beam deposition system designed for heteroepitaxy at a low substrate temperature and for the growth of metastable compounds has been constructed and tested. The system consists of two mass-resolved low-energy ion beams which merge at the target with an incident energy range 50-25 000 eV. Each ion beam uses a Freeman ion source for ion production and a magnetic sector for mass filtering. While a magnetic quadrupole lens is used in one beam for ion optics, an electrostatic quadrupole lens focuses the other beam. Both focusing approaches provide a current density more than 100-mu-A/cm2, although the magnetic quadrupole gives a better performance for ion energies below 200 eV. The typical current of each beam reaches more than 0.3 mA at 100 eV, with a ribbon beam of about 0.3-0.5 x 2 cm2. The target is housed in an ultrahigh vacuum chamber with a base pressure of 1 x 10(-7) Pa and a typical pressure of 5 x 10(-6) Pa when a noncondensable beam like argon is brought into the chamber. During deposition, the target can be heated to 800-degrees-C and scanned mechanically with an electronic scanning control unit. The dual beam system has been used to grow GaN using a Ga+ and a N+ beam, and to study the oxygen and hydrogen ion beam bombardment effects during carbon ion beam deposition. The results showed that the simultaneous arrival of two beams at the target is particularly useful in compound formation and in elucidation of growth mechanisms.