镍催化多晶金刚石薄膜高温石墨化的原位XPS与NEXAFS研究及其电子结构调控机制

为解决金刚石表面高温石墨化过程中导电电极制备的难题，研究人员通过同步辐射X射线光电子能谱(XPS)和近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)技术，原位研究了镍涂层对多晶金刚石(PCD)薄膜在1100°C真空退火过程中的催化作用。研究发现镍显著降低石墨化温度并诱导形成垂直取向的sp2碳层，为金刚石基电子器件开发提供了新思路。

　　

金刚石作为宽禁带半导体材料，在高压、高频电子器件中具有巨大潜力，但其表面绝缘特性限制了电极集成。传统高温石墨化（1500-2000°C）会破坏金刚石结构，而过渡金属催化虽能降低反应温度，但多晶金刚石(PCD)表面石墨化机制尚不明确。尤其镍催化剂作用下，不同晶面取向对石墨层形成的影响、碳原子键合状态及空间排列规律亟待系统研究。

中国科学院兰州化学物理研究所的研究人员创新性地采用同步辐射光源，结合X射线光电子能谱(XPS)和近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)技术，对镍涂层多晶金刚石薄膜在1100°C真空退火过程中的结构演变进行了原位表征。研究首次揭示了镍催化下金刚石(110)晶面优先形成垂直取向石墨层的规律，相关成果发表于《Beilstein Journal of Nanotechnology》。

研究团队通过等离子体增强化学气相沉积(PE CVD)制备含(110)/(111)混合取向的微米级多晶金刚石薄膜，采用热蒸发沉积40 nm镍层。利用BESSY II同步辐射装置的俄罗斯-德国光束线，在10^-9 mbar超高真空环境中进行退火实验，通过变角度NEXAFS测量和双模式电子探测（总电子产额TEY和俄歇电子产额AEY），结合拉曼光谱和扫描电镜(SEM)完成多尺度表征。

表面转变机制研究
NEXAFS数据显示镍涂层使PCD表面sp²碳的π*共振强度提升3倍，AEY模式测得284.0 eV特征峰证实镍-碳(Ni-C)键合态存在。XPS深度分析显示2 nm表层中sp²碳含量达16%，且C 1s谱在283.3 eV出现镍碳化合物特征峰。拉曼光谱证实镍催化形成的石墨层缺陷指数(I_D/I_G)在微米晶区为0.25，显著低于亚微米晶区的0.43。

晶面取向依赖性
SEM观察到镍颗粒在(110)晶面呈扁平均匀分布，而在(111)晶面形成团聚体。EBSD证实(110)晶面石墨化活性最高，但拉曼谱显示不同晶面sp²碳结构相似，表明石墨层缺陷主要受晶粒尺寸而非晶向影响。

单晶定向生长突破
对(110)取向单晶金刚石(SCD)的研究取得关键发现：NEXAFS角度依赖实验显示，当入射角从50°增至90°时，π*/σ*强度比从0.44升至0.67。该反常角度响应证实石墨层呈85-90°垂直排列，拉曼2D峰半峰宽90 cm^-1提示形成3-5层石墨烯结构。

这项研究建立了镍催化金刚石石墨化的"表面饱和"模型：镍颗粒首先蚀刻金刚石表面形成扩散区，碳原子在镍饱和后析出并优先沿(110)晶面法线方向生长。该发现为金刚石表面导电通道的定向构筑提供了理论依据，通过选择特定晶面和优化退火参数，可制备出低缺陷密度的垂直石墨烯/金刚石异质结，对开发高频功率器件和量子传感器具有重要意义。研究揭示的晶界辅助扩散机制，还为纳米晶金刚石薄膜的低温图形化加工提供了新思路。