Способ определения концентрации избыточного бора в монокристаллах кубического нитрида бора (cBN) для характеристики физических свойств

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО БОРА В МОНОКРИСТАЛЛАХ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Шишонок Елена МихайловнаДжон Стидс(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения концентрации избыточного бора в монокристаллах кубического нитрида борадля характеристики физических свойств, при котором определяют значение рамановского сдвига, соответствующего положению линии поперечного оптического фонона в спектре комбинационного рассеяния монокристалла кубического нитрида бора,отличающийся тем, что определяют положение линии поперечного оптического фонона в диапазоне волновых чисел от 1052 до 1057 см-1, а по величине рамановского сдвига определяют концентрацию избыточного бора и судят о физических свойствах монокристалла. Изобретение относится к области получения материалов под высоким давлением, а более конкретно, к характеризации свойств монокристаллов кубического нитрида бора, и может быть использовано для классификации монокристаллов и порошков кубического нитрида бора и определения их качества. Известный способ определения качества кубического нитрида бора основан на определении параметров (полуширины и интенсивности) бесфононных линий (БФЛ) с энергией 1,76 и 1,63 эВ, порождаемых в спектрах катодолюминесценцииоптически активными дефектами вакансионного типа -1 и -2 1, и позволяет судить о степени дефектности кристаллической решетки материала, связанной с уровнем напряжений в ней. Чем уже и интенсивнее линии, тем качественнее кристалл. Этот же способ позволяет 9487 1 2007.08.30 произвести грубые оценки стехиометрии образцов исходя из присутствия в их спектрах вакансий азота (-1) и вакансий бора (-2). В первом случае можно говорить об избытке в кристаллической решеткебора, а во втором случае - азота. Недостатком указанного способа является то, что в спектрах катодо- или фотолюминесценции далеко не всех монокристалловрегистрируются указанные БФЛ, так как использование различных каталитических систем ростапорождает различие в дефектной структуре монокристаллов, отражающееся в многообразии их спектров люминесценции. В таких случаях сложно сделать вывод о стехиометрии образцов. В крайних случаях, когда кристаллы являются либо бесцветными, либо имеют черный цвет, можно говорить о стехиометричных по составу образцах - в первом случае, и о сильном избытке бора в образцах во втором случае. Широко известным методом идентификации (фазового анализа) любой кристаллической структуры является метод комбинационного рассеяния (КР), позволяющий также определять относительное качество образцов путем анализа полуширины и интенсивности линий, присутствующих в спектрах КР. Чем уже и интенсивнее линия, тем менее уровень напряжений в материале. Метод комбинационного рассеяния позволяет проводить анализ быстро и качественно. Рассматривая способы оценки качества кубического нитрида бора, нельзя не коснуться его ближайшего аналога, алмаза. Известный способ идентификации алмаза методом комбинационного рассеяния позволяет обнаружить алмазную кристаллическую фазу по линии продольного оптического фонона , регистрируемой в спектре КР при рамановском сдвиге, равном 1332,5 см-1. Различная полуширина линии (3-14 см-1) позволяет судить о степени напряженности кристаллической решетки алмаза 2 и, естественно, не дает информации о несуществующей стехиометрии одноатомного кристалла. Известен способ идентификации кристаллической фазы кубического нитрида бора методом комбинационного рассеяния 3, который широко используется в пленочных технологиях для определения относительного вклада в структуру пленки кубической и гексагональной фаз нитрида бора. Согласно теории групп и правилам отбора в спектре комбинационного рассеяния кубического нитрида бора регистрируются линии оптических поперечного и продольного фононов ТО и , соответствующих определенным значениям рамановского сдвига. Оценка полуширины линий и интенсивности позволяет оценить уровень напряжений в исследуемых кристаллах . Недостатком указанного способа является то, что положение линий ТО ифононов в спектре комбинационного рассеяния реальногоне определяется однозначно. Способ идентификации кристаллической фазы кубического нитрида бора, описанный в работе 3, по своей сущности наиболее близок к предполагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа. Общими существенными признаками прототипа и заявляемого объекта является регистрация линии оптического фонона ТО в спектре комбинационного рассеяния кубического нитрида бора. Задачей, решаемой данным изобретением, является определение концентрации избыточного содержания бора в монокристаллах кубического нитрида бора с целью прогнозирования физических свойств материала. Поставленная задача решается путем определения значения рамановского сдвига, равного точному положению линии поперечного оптического фонона (ТО) в спектре комбинационного рассеяния монокристалла кубического нитрида бора в диапазоне волновых чисел от 1052 до 1057 см-1. Положение ТО изменяется в указанном интервале волновых чисел в зависимости от содержания бора в кристаллической решетке монокристаллаи соответственно его физических свойств. Нами экспериментально установлено, что монокристаллы, имеющие в спектрах КР более высокоэнергитичное положение линии ТО,не содержат в своем составе избыточного бора, и отличаются высокой теплопроводностью, твердостью, способностью эммитировать вторичные электроны, в то время как низ 2 9487 1 2007.08.30 коэнергитичное положение линии ТО фонона свидетельствует об избыточной концентрации бора в кристаллической решеткеи деградации его свойств. Монокристаллы, имеющие в своих спектрах КР линии ТО различной интенсивности и полуширины, при одинаковом энергетическом положении линии ТО также имеют различные свойства. Однако они же обладают близкими свойствами, если относительные интенсивности и полуширины линии ТО являются одинаковыми. В то время как энергетическое положение линии ТО характеризует относительное содержание избыточного бора в кристаллической решетке , интенсивность и полуширина линии характеризуют уровень напряжений в ней. Сопоставительный анализ нового решения с прототипом показывает, что заявляемый способ характеризации кубического нитрида бора отличается от известного тем, что содержит новую информацию о свойствах исследуемого образца материала, в то время как при использовании старого способа можно лишь констатировать факт присутствия кубической фазы нитрида бора. Проиллюстрировать сущность нового решения можно с помощью результатов исследования комбинационного рассеяния на монокристалловв виде усеченной пирамиды,параллельные грани которой представлены треугольными гранями (111) и. Известно,что грань (111) в случае кубического нитрида бора представляет собой борную плоскость, а грань- азотную плоскость, то есть поверхности соответствующих граней составлены из атомов бора и азота, соответственно. Из рис. 1 видно, что линии ТО ифононов для одного и того же кристалла смещены друг относительно друга в спектрах,зарегистрированных на выше упомянутых гранях в полном соответствии с предложенным решением. Подтверждением заявляемого решения является также обнаруженная нами однозначная корреляция концентрации парамагнитных включений бора в монокристаллахс энергетическим положением линии ТО (рамановским сдвигом) в их спектрах комбинационного рассеяния. В таблице приведены экспериментальные данные по результатам измерения рамановского сдвига в спектрах КР, концентрации парамагнитных включений бора,микротвердости и теплопроводности образцовразличного стехиометрического состава. Положение линии Концентрация параТО в спектре КР,магнитного бора,-1 На рис. 2 представлен график зависимости положения линии ТО (рамановский сдвиг) в спектре КР от концентрации в образцахпарамагнитного бора. Из таблицы и градуировочного графика можно видеть, как решается задача данного изобретения. Преимуществом предлагаемого способа определения концентрации избыточного бора в монокристаллах кубического нитрида бора является то, что способ является экспрессметодом неразрушающего контроля, не требующим для своей реализации специальной подготовки образцов. Однако к условиям необходимым для использования указанного способа характеризации свойств кубического нитрида бора следует отнести наличие оборудования типа(, -1000, -2000 и т.п.). 3 9487 1 2007.08.30 Пример 1. Давлением 40-50 кбар и температурой 1400-1800 С в течение временной выдержки 530 минут воздействовали на смесь гексагонального нитрида бора и катализаторов 2, и 3. В результате были получены монокристаллы кубического нитрида бора размером 100-500 мкм, которые характеризовались различным положением линий ТО в области 1052-1057 см-1 соответствующих спектров комбинационного рассеяния. В спектрах некоторых монокристаллов при различной ширине и интенсивности линий ТО их энергетическое положение совпадало. Выборочно были сделаны измерения микротвердости на отдельных монокристаллах, которые показали что кристаллы с различным положением линий ТО в спектрах КР обладают различной микротвердостью в диапазоне значений 3,56,0 ГПа. Пример 2. Давлением 40-50 кбар и температурой 1400-1800 С в течение временной выдержки 530 минут воздействовали на смесь гексагонального нитрида бора и катализаторов 2 и. В результате были получены монокристаллы кубического нитрида бора размером 100-500 мкм, которые характеризовались близким положением линий ТО при 1052,31052,5 см-1 в соответствующих спектрах комбинационного рассеяния. В спектрах некоторых монокристаллов линии ТО имели различную ширину и интенсивность. Концентрации парамагнитного азота составила для всех монокристаллов (26-27)1017 см-1. Пример 3. Давлением 40-50 кбар и температурой 1400-1800 С в течение временной выдержки 530 минут воздействовали на смесь гексагонального нитрида бора и катализаторови 3. В результате были получены монокристаллы кубического нитрида бора размером 100-500 мкм, которые характеризовались одинаковым положением линий ТО при 1055,5 см-1 в соответствующих спектрах комбинационного рассеяния. В спектрах некоторых монокристаллов линии ТО имели различную ширину и интенсивность. Теплопроводность каждого из выбранных для измерений монокристаллов составила 740-750 Вт/мК. Источники информации 1.,,,95,29, 1986. 2.,., , , , 1994. - . 13-22. 3.,,//. . 9. - . 1-3. - . 600-604, 2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5