A practical guide to using boron do

A practical guide to using boron doped diamond
in electrochemical research
Julie V. Macpherson
Conducting, boron doped diamond (BDD), in addition to its superior material properties, offers several notable
attributes to the electrochemist making it an intriguing material for electrochemical research. These include the
widest solvent window of all electrode materials; low background and capacitive currents; reduced fouling
compared to other electrodes and; the ability to withstand extreme potentials, corrosive and high temperature/
pressure environments. However, BDD is not your typical electrode material, it is a semi-conductor doped
degenerately with boron to present semi-metallic characteristics. Input from materials scientists, chemists and
physicists has been required to aid understanding of how to work with this material from an electrochemical
viewpoint and improve electrode quality. Importantly, depending on how the BDD has been grown and then
subsequently treated, prior to electrochemical measurement, the resulting material properties can vary quite
significantly from one electrode to the next. This likely explains the variability seen by different researchers
working on the same experimental systems. The aim of this ‘‘protocols’’ article is not to provide a state-of-the-art
review of diamond electrochemistry, suitable references are provided to the interested reader, but instead serves
as a reference point for any researcher wishing to commence work with diamond electrodes and interpret
electrochemical data. It provides information on how best to characterise the material properties of the electrode
before use and outlines the interplay between boron dopant density, non-diamond-carbon content, grain
morphology, surface chemistry and redox couple identity. All should ideally be considered when interpretating
electrochemical data arising from the diamond electrode. This will aid the reader in making meaningful
comparisons between data obtained by different researchers using different diamond electrodes. The guide also
aims to help educate the researcher in choosing which form of BDD is best suited to their research application.
Protocol Perspective
This article is a protocol perspective. The aim of protocol perspectives is to communicate ‘best practice’ to the community-spanning readership of PCCP on
experimental techniques and methods and measurement technologies in physical chemistry.
Introduction
Carbon electrodes have found wide-spread use in many different
electrochemical applications e.g. sensing, fuel cell catalyst
supports, with sp2 carbon proving particularly popular e.g.
glassy carbon (GC), highly ordered pyrolytic graphite, edge plan
pyrolytic graphite, carbon nanotubes etc.2 However, sp3 carbon,
i.e. diamond, is now finding significant use as an electrode in a variety of different application areas, which have been highlighted
and reviewed in detail, for example in ref. 3–9. There is
a wealth of data on diamond electrodes in the literature,
however for both inner and outer sphere different redox
couples, contrasting results can be reported. It is thus timely
to consider the practicalities and peculiarities of using an sp3
carbon material in electrochemical research, especially for the
first time user.
Inner and outer sphere redox couples
Electrochemical redox couples fall generally into two categories, outer and inner sphere. For those that are outer sphere, electron transfer is often fast and the
species comes close enough to the electrode for electrons to tunnel or hop across at least a monolayer of solvent. They do not directly interact with the surface
and are often referred to as surface insensitive.1 In contrast for inner sphere species there is a strong interaction between either the reactant or product with the
surface, whereby reactants, intermediates or products are often specifically adsorbed. Inner sphere species are therefore considered surface sensitive.1
Diamond is an exceptional material, the complete sp3 hybridisation
of carbon results in extensive tetrahedral bonding
throughout the lattice, leading to many extreme properties;10
most notable are the hardness, very high thermal conductivity
and extremely high electrical resistivity; diamond is a very wide
band gap semiconductor (5.47 eV at 300 K).10 The latter makes
diamond, at first glance, useless to an electrochemist, unlike
sp2 materials in their intrinsic state. However, just as with
silicon, where dopant impurities can be added to modify
electrical properties the same is true of diamond. Either side
of carbon in the periodic table sits boron to the left (p-type
dopant) and nitrogen to the right (n-type dopant). As boron
effectively takes up the same position as displaced carbon
atoms, with a relatively small activation energy (0.37 eV), unlike
nitrogen (1.7 eV), high doping levels are possible. Thus boron is
the preferred dopant for electrochemical studies.
In the literature, the regularly quoted favourable properties
of boron doped diamond (BDD) electrodes include:3–9 (i) wide
solvent window; (ii) low background currents (low capacitance);
(iii) reduced fouling; (iv) non-corroding at high temperatures,
pressures and in challenging environments; and (v) biocompatibility.
However, it is important to note the growth procedure
adopted to synthesise BDD can affect the reported properties.
Moreover, for the first time user, working with this material is not
always as straight forward as with other conventional ‘‘metallic’’
electrode materials. In this protocols article, a guide to working
with BDD electrodes and interpretating the data obtained is
presented in terms of an understanding between the intimate
relationship between material properties and electrochemical
performance.
Growing BDD
Since the mid 1950’s, it has been possible to synthetically
produce diamond using high pressure high temperature
(HPHT) methodologies.11 Technological advances in the late
1980’s resulted in the synthesis of diamond from gas phase
carbon species using a chemical vapour deposition (CVD)
technique at low pressures.12 CVD growth of diamond relies
on the generation of carbon radicals and relatively high concentrations of disassociated hydrogen (H). High growth
surface temperatures are also required, typically greater than
700 1C, to provide the appropriate surface kinetics.
For commercial and laboratory electrode production CVD is
by far the most popular growth technique, due to the efficiency
of the process in controlling dopant incorporation and the
ability to grow over large areas and on structured substrates.
During CVD a plasma is created using either hot filaments (HF)
or microwaves (MW). MWs enable the generation of higher
plasma temperatures than HF, where temperatures are limited
by the melting point of the filaments. The resultant higher
temperatures of MW-CVD result in higher concentrations of
H atoms. Most commercial BDD electrode manufacturers adopt
the HF-CVD approach due to the ability to grow over large
surface areas. However, with MW-CVD it is possible to achieve
higher phase purity and faster growth.
A carbon source, such as methane, and dopant, boron, in
gaseous form, e.g. B2H6, B(OCH3)3 (ref. 13) etc. is fed into the CVD
reactor chamber, in the presence of hydrogen (H2). H2 is essential
as the plasma generated H atoms terminate dangling surface
bonds, prevent reconstruction of the surface and react with sp and
sp2 carbon sites, to preferentially etch them from the growth
layer.14 The employed growth parameters are hugely important as
they will control properties such as the ratio of non-diamondcarbon
(NDC) to diamond (qualitatively considered as an sp2 to
sp3 ratio) the thickness of the film, texture and grain size.
The use of polycrystalline growth substrates results in polycrystalline
diamond films, which contain diamond crystals of
different growth facets, or grains. The growth substrate must be
stable under the CVD growth conditions and have a low
expansion coefficient. Suitable substrates include e.g. Si, Nb,
Mb, Ti, Ta and W appropriately treated e.g. abrasion, seeding
with diamond nanoparticles or electrically biased, to provide
an increased density of nucleation sites for the promotion of
diamond synthesis.15 The resulting grain size depends on growth
conditions such as time, temperature, pressure, gas composition
e.g. hydrogen to carbon and boron ratios and the addition of
noble gases such as argon etc.16 This leads to the following
categories of BDD: (i) ultra-nanocrystalline (UCN), grain size
o10 nm;15) (ii) nanocrystalline (NC), grain sizes in the range
10 nm–1 mm (ref. 15 and; (iii) microcrystalline (MC), grain sizes
4mm.17 As crystallographic orientation affects boron uptake, with
(111) 4 (110) 4 (100),18 it is also important to consider that a
polycrystalline surface will be heterogeneously doped.
NDC incorporation is thought to occur predominantly at
grain boundaries, although incorporation into individual
growth facets is also possible. Thus NDC can be electrochemically
significant in UNC and NC BDD15 given that the grain
boundary density is significantly higher than in MC BDD. It is
virtually impossible to grow UNC free of NDC. As dopant
(boron) concentrations are increased it is also harder to prevent
NDC formation, even in MC BDD. However, growth techniques
have been perfected such that growth of highly doped MC BDD
with negligible NDC is now possible.19
For fixed growth conditions, as growth time increases, the
size of crystalline facets increase with film thickness, as shown in Fig. 1a,b. Lower NDC content NC BDD films can be obtained
using the growth conditions for high quality MC BDD (high ratio of
H atoms to methyl radicals) but stopping before the grains become
too big.15 UNC and NC films are thin (micron(s) and smaller,
especially for UNC) and for handling purposes are left attached to
the growth substrate. MC films are thicker and when very thick
(hundred(s) ofmicrons) can be re

Kết quả (Việt) 1:

Một hướng dẫn thiết thực để sử dụng Bo doped kim cươngtrong nghiên cứu điện hóaJulie V. MacphersonTiến hành, Bo doped kim cương (BDD), ngoài các thuộc tính tài liệu cao cấp, cung cấp một số đáng chú ýthuộc tính để electrochemist làm cho nó một vật liệu hấp dẫn cho nghiên cứu điện hóa. Chúng bao gồm cáccửa sổ dung môi rộng nhất của tất cả các vật liệu của điện cực; nền thấp và dòng điện dung; giảm bẩnso với các điện cực và; khả năng chịu được cực tiềm năng, nhiệt độ cao và ăn mòn /áp lực môi trường. Tuy nhiên, BDD không phải là tài liệu điển hình điện cực của bạn, nó là một bán dẫn dopeddegenerately với bo để trình bày bán kim loại đặc điểm. Đầu vào từ các nhà khoa học vật liệu, nhà hóa học vànhà vật lý đã được yêu cầu để hỗ trợ sự hiểu biết làm thế nào để làm việc với tài liệu này từ một điện hóaquan điểm và cải thiện chất lượng điện cực. Quan trọng, tùy thuộc vào cách BDD đã được trồng và sau đósau đó được điều trị, trước khi đo lường điện, vật liệu kết quả thuộc tính có thể khác nhau kháđáng kể từ một điện cực kế tiếp. Điều này có thể giải thích sự biến đổi nhìn thấy bởi các nhà nghiên cứu khác nhaulàm việc trên các hệ thống thử nghiệm tương tự. Mục đích của bài viết này '' giao thức '' là không cung cấp cho một nhà nước-of-the-nghệ thuậtxem xét của kim cương điện hóa, thích hợp tài liệu tham khảo được cung cấp cho người đọc quan tâm, nhưng thay vì phục vụnhư là một điểm tham chiếu cho bất kỳ nhà nghiên cứu muốn bắt đầu làm việc với kim cương điện cực và giải thíchđiện hóa dữ liệu. Nó cung cấp thông tin về cách tốt nhất để nêu các tài sản vật chất của điện cựctrước khi sử dụng và vạch ra hổ tương tác dụng giữa Bo rộng mật độ, nội dung không-kim cương-cacbon, hạthình thái học, hóa học bề mặt và redox vài nhận dạng. Tất cả nên lý tưởng được xem xét khi interpretatingđiện hóa dữ liệu phát sinh từ các điện cực kim cương. Điều này sẽ giúp người đọc trong việc đưa ra có ý nghĩaso sánh giữa các dữ liệu thu được bởi các nhà nghiên cứu khác nhau bằng cách sử dụng khác nhau kim cương điện cực. Các hướng dẫn cũngnhằm mục đích giúp giáo dục cho các nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn hình thức BDD là tốt nhất phù hợp với ứng dụng nghiên cứu của họ.Giao thức quan điểmBài viết này là một quan điểm giao thức. Mục đích của giao thức quan điểm là để giao tiếp 'thực hành tốt nhất' để các độc giả bao trùm cộng đồng của PCCP ngàythử nghiệm kỹ thuật và phương pháp và công nghệ đo lường trong hóa học vật lý.Giới thiệuĐiện cực cacbon có lây lan rộng sử dụng trong rất nhiều khác nhauđiện hóa ứng dụng ví dụ như cảm biến, tế bào nhiên liệu chất xúc táchỗ trợ, với sp2 cacbon chứng minh đặc biệt phổ biến ví dụthủy tinh cacbon (GC), cao ra lệnh cho nhiệt graphite, cạnh kế hoạchnhiệt than chì, ống nano carbon etc.2 Tuy nhiên, cacbon sp3,tức là kim cương, là bây giờ tìm các sử dụng đáng kể như là một điện cực trong một loạt các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, mà đã được nêu bậtvà xem xét chi tiết, ví dụ trong ref. 3-9. Cómột sự giàu có của dữ liệu về kim cương điện cực trong các tài liệu,Tuy nhiên cho cả hai bên trong và bên ngoài lĩnh vực khác nhau redoxCặp vợ chồng, tương kết quả có thể được báo cáo. Nó là như vậy, kịp thờiđể xem xét các practicalities và các đặc thù của việc sử dụng một sp3Carbon tài liệu nghiên cứu điện hóa, đặc biệt là cho cácngười sử dụng thời gian đầu tiên.Bên trong và bên ngoài lĩnh vực redox Cặp đôiCặp đôi điện hóa redox thường rơi vào hai loại, bên ngoài và bên trong hình cầu. Đối với những người được bên ngoài lĩnh vực, chuyển giao điện tử thường là nhanh chóng và cácloài nói đóng đủ để các điện cực cho điện tử để đường hầm hoặc hop trên ít nhất một monolayer của dung môi. Họ không trực tiếp tương tác với các bề mặtvà thường được gọi là bề mặt insensitive.1 ngược lại cho bên trong lĩnh vực loài có là một tương tác mạnh giữa chất hoặc sản phẩm với cácbề mặt, theo đó chất phản ứng, Trung gian hoặc sản phẩm được thường đặc biệt adsorbed. Bên trong lĩnh vực loài do đó được coi là bề mặt sensitive.1Kim cương là một vật liệu đặc biệt, lai sp3 hoàn chỉnhcủa carbon kết quả trong rộng lớn tứ diện liên kếttrong suốt lưới, dẫn đến nhiều thuộc tính cực; 10đáng chú ý nhất là các độ cứng, độ dẫn nhiệt rất caovà điện trở suất rất cao; kim cương là rất rộngBan nhạc khoảng cách bán dẫn (5,47 eV tại 300 K).10 làm cho sau nàydiamond, at first glance, useless to an electrochemist, unlikesp2 materials in their intrinsic state. However, just as withsilicon, where dopant impurities can be added to modifyelectrical properties the same is true of diamond. Either sideof carbon in the periodic table sits boron to the left (p-typedopant) and nitrogen to the right (n-type dopant). As boroneffectively takes up the same position as displaced carbonatoms, with a relatively small activation energy (0.37 eV), unlikenitrogen (1.7 eV), high doping levels are possible. Thus boron isthe preferred dopant for electrochemical studies.In the literature, the regularly quoted favourable propertiesof boron doped diamond (BDD) electrodes include:3–9 (i) widesolvent window; (ii) low background currents (low capacitance);(iii) reduced fouling; (iv) non-corroding at high temperatures,pressures and in challenging environments; and (v) biocompatibility.However, it is important to note the growth procedureadopted to synthesise BDD can affect the reported properties.Moreover, for the first time user, working with this material is notalways as straight forward as with other conventional ‘‘metallic’’electrode materials. In this protocols article, a guide to workingwith BDD electrodes and interpretating the data obtained ispresented in terms of an understanding between the intimaterelationship between material properties and electrochemicalperformance.Growing BDDSince the mid 1950’s, it has been possible to syntheticallyproduce diamond using high pressure high temperature(HPHT) methodologies.11 Technological advances in the late1980’s resulted in the synthesis of diamond from gas phasecarbon species using a chemical vapour deposition (CVD)technique at low pressures.12 CVD growth of diamond relieson the generation of carbon radicals and relatively high concentrations of disassociated hydrogen (H). High growthsurface temperatures are also required, typically greater than700 1C, to provide the appropriate surface kinetics.For commercial and laboratory electrode production CVD isby far the most popular growth technique, due to the efficiencyof the process in controlling dopant incorporation and theability to grow over large areas and on structured substrates.During CVD a plasma is created using either hot filaments (HF)or microwaves (MW). MWs enable the generation of higherplasma temperatures than HF, where temperatures are limitedby the melting point of the filaments. The resultant highertemperatures of MW-CVD result in higher concentrations ofH atoms. Most commercial BDD electrode manufacturers adoptthe HF-CVD approach due to the ability to grow over largesurface areas. However, with MW-CVD it is possible to achievehigher phase purity and faster growth.A carbon source, such as methane, and dopant, boron, ingaseous form, e.g. B2H6, B(OCH3)3 (ref. 13) etc. is fed into the CVDreactor chamber, in the presence of hydrogen (H2). H2 is essentialas the plasma generated H atoms terminate dangling surfacebonds, prevent reconstruction of the surface and react with sp andsp2 carbon sites, to preferentially etch them from the growthlayer.14 The employed growth parameters are hugely important asthey will control properties such as the ratio of non-diamondcarbon(NDC) to diamond (qualitatively considered as an sp2 tosp3 ratio) the thickness of the film, texture and grain size.The use of polycrystalline growth substrates results in polycrystallinediamond films, which contain diamond crystals ofdifferent growth facets, or grains. The growth substrate must bestable under the CVD growth conditions and have a lowexpansion coefficient. Suitable substrates include e.g. Si, Nb,Mb, Ti, Ta and W appropriately treated e.g. abrasion, seedingwith diamond nanoparticles or electrically biased, to providean increased density of nucleation sites for the promotion ofdiamond synthesis.15 The resulting grain size depends on growthconditions such as time, temperature, pressure, gas compositione.g. hydrogen to carbon and boron ratios and the addition ofnoble gases such as argon etc.16 This leads to the followingcategories of BDD: (i) ultra-nanocrystalline (UCN), grain sizeo10 nm;15) (ii) nanocrystalline (NC), grain sizes in the range10 nm–1 mm (ref. 15 and; (iii) microcrystalline (MC), grain sizes4mm.17 As crystallographic orientation affects boron uptake, with(111) 4 (110) 4 (100),18 it is also important to consider that apolycrystalline surface will be heterogeneously doped.NDC incorporation is thought to occur predominantly atgrain boundaries, although incorporation into individualgrowth facets is also possible. Thus NDC can be electrochemicallysignificant in UNC and NC BDD15 given that the grainboundary density is significantly higher than in MC BDD. It isvirtually impossible to grow UNC free of NDC. As dopant(boron) concentrations are increased it is also harder to preventNDC formation, even in MC BDD. However, growth techniqueshave been perfected such that growth of highly doped MC BDDwith negligible NDC is now possible.19For fixed growth conditions, as growth time increases, thesize of crystalline facets increase with film thickness, as shown in Fig. 1a,b. Lower NDC content NC BDD films can be obtainedusing the growth conditions for high quality MC BDD (high ratio ofH atoms to methyl radicals) but stopping before the grains becometoo big.15 UNC and NC films are thin (micron(s) and smaller,especially for UNC) and for handling purposes are left attached tothe growth substrate. MC films are thicker and when very thick(hundred(s) ofmicrons) can be re

Kết quả (Việt) 2:

Một hướng dẫn thực tiễn để sử dụng bo pha tạp kim cương
trong nghiên cứu điện hoá
Julie V. Macpherson
Tiến hành, bo kim cương pha tạp (BDD), ngoài tính chất vật liệu vượt trội của nó, cung cấp một số đáng chú ý
thuộc tính cho electrochemist làm cho nó một vật liệu hấp dẫn cho nghiên cứu điện hóa. Chúng bao gồm các
cửa sổ dung môi rộng nhất của tất cả các vật liệu điện; nền và điện dung dòng điện thấp; giảm ô nhiễm
so với điện cực khác và; khả năng chịu được tiềm năng cực, nhiệt độ ăn mòn cao và /
môi trường áp lực. Tuy nhiên, BDD không phải là vật liệu điện cực điển hình của bạn, nó là một bán dẫn pha tạp
degenerately với boron để trình bày đặc điểm bán kim loại. Đầu vào từ các nhà khoa học vật liệu, các nhà hóa học và
các nhà vật lý đã được yêu cầu để hỗ trợ cho sự hiểu biết về cách làm việc với các tài liệu này từ một điện hóa
quan điểm và cải thiện chất lượng điện cực. Quan trọng hơn, tùy thuộc vào cách BDD đã được phát triển và sau đó
sau đó được điều trị, trước khi đo điện hóa, các đặc tính vật liệu kết quả có thể thay đổi khá
đáng kể từ một điện cực để tiếp theo. Điều này có thể giải thích sự thay đổi nhìn thấy bởi các nhà nghiên cứu khác nhau
làm việc trên các hệ thống thí nghiệm như nhau. Mục đích của việc này '' giao thức '' bài viết không phải là để cung cấp cho một nhà nước-of-the-nghệ thuật
đánh giá của kim cương điện hóa học, tài liệu tham khảo phù hợp được cung cấp cho người đọc quan tâm, nhưng thay vì phục vụ
như là một điểm tham chiếu cho bất kỳ nhà nghiên cứu muốn bắt đầu công việc với các điện cực kim cương và giải thích
dữ liệu điện hóa. Nó cung cấp thông tin về cách tốt nhất để mô tả các đặc tính vật liệu điện cực
trước khi sử dụng và vạch ra sự tương tác giữa mật độ bo dopant, nội dung không phải kim cương-carbon, hạt
hình thái, hóa học bề mặt và cặp oxi hóa khử sắc. Tất cả các lý tưởng nên được xem xét khi interpretating
dữ liệu điện hóa phát sinh từ các điện cực kim cương. Điều này sẽ giúp người đọc trong việc làm có ý nghĩa
so sánh giữa các dữ liệu thu được bởi các nhà nghiên cứu khác nhau sử dụng các điện cực kim cương khác nhau. Hướng dẫn này cũng
nhằm mục đích giúp đỡ giáo dục các nhà nghiên cứu trong việc chọn lựa hình thức BDD là thích hợp nhất để nghiên cứu ứng dụng của họ.
Nghị định thư Perspective
Bài viết này là một viễn cảnh giao thức. Mục đích của quan điểm giao thức là để giao tiếp "thực hành tốt nhất" để các độc giả cộng đồng khung của PCCP về
kỹ thuật và phương pháp thử nghiệm và công nghệ đo lường trong ngành vật lý.
Giới thiệu
các điện cực Carbon đã từng được sử dụng rộng rãi trong nhiều khác nhau
ứng dụng điện ví dụ như cảm biến, nhiên liệu tế bào chất xúc tác
hỗ trợ, với sp2 carbon minh đặc biệt phổ biến ví dụ như
carbon thủy tinh (GC), có trật tự cao graphite nhiệt phân, kế hoạch cạnh
graphite nhiệt phân, các ống nano carbon etc.2 Tuy nhiên, carbon sp3,
tức là kim cương, giờ đây là tìm được trọng dụng như một điện cực trong một nhiều ứng dụng khác nhau các khu vực, mà đã được nhấn mạnh
và được xem xét một cách chi tiết, ví dụ như trong ref. 3-9. Có
một sự giàu có của các dữ liệu trên các điện cực kim cương trong văn học,
tuy nhiên đối với cả hai lĩnh vực khác nhau oxi hóa khử trong và ngoài
các cặp vợ chồng, kết quả trái ngược nhau có thể được báo cáo. Nó là như vậy, kịp thời
để xem xét thực tiễn và đặc thù của việc sử dụng một sp3
liệu carbon trong nghiên cứu điện hoá, đặc biệt là đối với những
người sử dụng lần đầu tiên.
Inner và ngoài cặp oxi hóa khử cầu
cặp oxi hóa khử điện hóa nói chung rơi vào hai loại, lớp vỏ ngoài và bên trong. Đối với những người được lớp vỏ ngoài, chuyển điện tử thường là nhanh chóng và các
loài đến đủ gần để các điện cực cho các electron đường hầm hoặc nhảy qua ít nhất một lớp đơn của dung môi. Họ không trực tiếp tương tác với bề mặt
và thường được gọi là insensitive.1 bề mặt Trái lại đối với các loài hình cầu bên trong có một sự tương tác mạnh mẽ giữa hai chất phản ứng hoặc sản phẩm với các
bề mặt, nhờ đó chất phản ứng, trung gian hoặc sản phẩm thường được hấp thụ đặc biệt. Do đó loài cầu bên được coi là bề mặt sensitive.1
Diamond là một vật liệu đặc biệt, sự lai giống sp3 đầy đủ
các kết quả carbon trong liên kết tứ diện rộng
khắp các mạng tinh thể, dẫn đến nhiều tài sản cực đoan; 10
đáng chú ý nhất là độ cứng, độ dẫn nhiệt rất cao
và cực kỳ điện trở suất cao; kim cương là một rất rộng
bán dẫn khoảng cách ban nhạc (5.47 eV ở 300 K) .10 Sau này làm cho
kim cương, ở cái nhìn đầu tiên, vô dụng đến một electrochemist, không giống như
các vật liệu sp2 ở trạng thái nội tại của họ. Tuy nhiên, cũng giống như với
silicon, nơi tạp chất dopant có thể được thêm vào để thay đổi
tính chất điện cùng là thực sự của kim cương. Hai bên
của cacbon trong bảng tuần ngồi boron bên trái (p-type
dopant) và nitơ ở bên phải (n-type dopant). Như boron
có hiệu quả chiếm vị trí giống như carbon dời
nguyên tử, với một năng lượng hoạt hóa tương đối nhỏ (0,37 eV), không giống như
nitơ (1,7 eV), nồng độ doping cao là có thể. Như vậy boron là
các dopant ưa thích dành cho nghiên cứu điện hóa.
Trong văn học, các đặc tính thuận lợi thường xuyên trích dẫn
của bo pha tạp kim cương (BDD) điện cực bao gồm: 3-9 (i) rộng
cửa sổ dung môi; (ii) các dòng nền thấp (điện dung thấp);
(iii) làm giảm ô nhiễm; (iv) không ăn mòn ở nhiệt độ cao,
áp lực và trong môi trường đầy thách thức; và (v) biocompatibility.
Tuy nhiên, điều quan trọng là phải lưu ý các thủ tục tăng trưởng
thông qua để tổng hợp BDD có thể ảnh hưởng đến các tính chất báo cáo.
Hơn nữa, đối với những người sử dụng lần đầu tiên, làm việc với các tài liệu này không
phải lúc nào cũng thẳng về phía trước như với khác thường '' kim loại ''
vật liệu điện cực. Trong giao thức bài viết, một hướng dẫn để làm việc
với các điện cực BDD và interpretating các dữ liệu thu được được
trình bày trong các điều khoản của một sự hiểu biết giữa các thân mật
mối quan hệ giữa tính chất vật liệu và điện
năng.
Trồng BDD
Kể từ giữa những năm 1950, nó đã có thể tổng hợp
sản xuất kim cương sử dụng áp suất cao nhiệt độ cao
(HPHT) methodologies.11 công nghệ tiến bộ trong những năm cuối
thập niên 1980 dẫn đến sự tổng hợp của kim cương từ pha khí
loài carbon bằng cách sử dụng một sự lắng đọng hơi hóa học (CVD)
kỹ thuật vào sự tăng trưởng pressures.12 CVD thấp của kim cương dựa
trên các thế hệ của các gốc carbon và nồng độ tương đối cao của hydro phân tách (H). Tăng trưởng cao
nhiệt độ bề mặt cũng được yêu cầu, thường lớn hơn
700 1C, để cung cấp động lực bề mặt thích hợp.
Đối với sản xuất và thương mại điện trong phòng thí nghiệm CVD là
bởi đến nay các kỹ thuật phát triển phổ biến nhất, do hiệu quả
của quá trình này trong việc kiểm soát dopant thành lập công ty và các
khả năng phát triển trên diện rộng và trên các chất nền có cấu trúc.
Trong CVD một plasma được tạo ra bằng cách sử dụng dây tóc nóng (HF)
hoặc lò vi sóng (MW). MWS cho phép các thế hệ cao hơn
nhiệt độ plasma hơn HF, nơi nhiệt độ được giới hạn
bởi các điểm nóng chảy của các sợi. Các kết quả cao hơn
nhiệt độ của MW-CVD dẫn đến nồng độ các
nguyên tử H. Hầu hết các nhà sản xuất điện cực BDD thương mại thông qua
các phương pháp tiếp cận HF-CVD do khả năng phát triển hơn lớn
diện tích bề mặt. Tuy nhiên, với MW-CVD nó có thể đạt được
độ tinh khiết giai đoạn cao hơn và tăng trưởng nhanh hơn.
Một nguồn carbon, như methane, và dopant, bo, ở
dạng khí, ví dụ như B2H6, B (OCH3) 3 (ref. 13) vv được đưa vào các bệnh tim mạch
buồng lò phản ứng, trong sự hiện diện của hydro (H2). H2 là điều cần thiết
là plasma tạo ra các nguyên tử H chấm dứt lơ lửng trên bề mặt
trái phiếu, ngăn ngừa tái thiết của bề mặt và phản ứng với sp và
sp2 carbon các trang web, để ưu tiên khắc họ từ sự tăng trưởng
layer.14 Các thông số tăng trưởng việc làm là vô cùng quan trọng là
họ sẽ kiểm soát tài sản chẳng hạn như tỷ lệ không diamondcarbon
(NDC) cho kim cương (chất được coi như là một sp2 để
tỷ lệ sp3) độ dày của bộ phim, kết cấu và hạt kích thước.
Việc sử dụng các chất tăng trưởng đa tinh thể kết quả trong đa tinh
phim kim cương, trong đó có chứa các tinh thể kim cương các
khía cạnh phát triển khác nhau, hoặc các loại ngũ cốc. Các chất nền tăng trưởng phải được
ổn định theo các điều kiện tăng trưởng CVD và có một mức thấp
hệ số mở rộng. Chất nền thích hợp bao gồm ví dụ như Si, Nb,
Mb, Ti, Ta và W thích hợp điều trị như mài mòn, gieo
hạt nano kim cương hay thiên vị điện, để cung cấp
một mật độ tăng của các trang web mầm cho sự thúc đẩy của
kim cương synthesis.15 Kích thước hạt kết quả phụ thuộc vào tăng trưởng
các điều kiện như thời gian, nhiệt độ, áp suất, thành phần khí
ví dụ như hydro để tỷ lệ carbon và boron và việc bổ sung các
khí trơ như argon etc.16 Điều này dẫn đến những điều sau đây
loại BDD: (i) siêu nanocrystalline (UCN), kích thước hạt
o10 nm; 15) (ii) nanocrystalline (NC ), kích thước hạt trong khoảng
10 nm-1 mm (ref 15;. (iii) vi (MC), kích thước hạt
4mm.17 Như định hướng tinh thể ảnh hưởng đến sự hấp thu boron, với
(111) 4 (110) 4 (100) , 18 nó cũng rất quan trọng để xem xét rằng một
bề mặt đa tinh thể sẽ được pha tạp không đồng nhất.
thành lập công ty NDC cho là xảy ra chủ yếu ở
biên giới hạt, mặc dù thành lập công ty vào từng
khía cạnh tăng trưởng cũng có thể. Vì vậy NDC có thể electrochemically
đáng kể trong UNC và NC BDD15 định rằng các hạt
mật độ ranh giới cao hơn trong MC BDD đáng kể. Đó là
hầu như không thể phát triển UNC miễn NDC. Như dopant
(boron) nồng độ được tăng lên nó cũng là khó khăn hơn để ngăn chặn
sự hình thành NDC, ngay cả trong MC BDD. Tuy nhiên, kỹ thuật phát triển
đã được hoàn thiện như vậy mà tốc độ tăng trưởng của pha tạp cao MC BDD
với không đáng kể NDC giờ possible.19 là
Đối với điều kiện tăng trưởng cố định, như thời gian tăng trưởng tăng lên,
kích thước của các mặt tinh thể tăng với độ dày màng, như thể hiện trong hình. 1a, b. NDC thấp hơn nội dung phim NC BDD có thể thu được
bằng cách sử dụng các điều kiện tăng trưởng chất lượng cao MC BDD (tỷ lệ cao của
các nguyên tử H các gốc methyl) nhưng dừng lại trước khi các hạt trở nên
quá big.15 phim UNC và NC là mỏng (micron (s) và nhỏ hơn,
đặc biệt là cho UNC) và cho các mục đích xử lý còn lại gắn liền với
các chất nền tăng trưởng. Phim MC dày hơn và khi rất dày
(trăm (s) ofmicrons) có thể được tái