类金刚石薄膜的分子动力学研究
Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 145-151
Published Online July 2014 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,/journal/ms
https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,/10.12677/ms.2014.44022
The Molecular Dynamics Simulation on the Diamond-Like Carbon Films
Minyong Du1, Ming Zhang1*, Jizhou Wei1, Haoliang Deng1, Shangjie Chu1, Kun Ren2
1College of Materials Science and Engineering, BeiJing University of Technology, Beijing
2College of EE and CE, Beijing University of Technology, Beijing
Email: duminyong@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,
Received: May 28th, 2014; revised: Jun. 25th, 2014; accepted: Jul. 4th, 2014
Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,/licenses/by/4.0/
Abstract
The research and application of the diamond-like carbon films are very extensive since it was found due to the superior properties. Therefore, we had begun to study using molecular simula-tion methods in order to get better properties and explore better structure as early as the 1980s.
In this background, the paper describes the development of the case of the diamond-like carbon films’ study, and gives a brief summary for the representative study of each period. Then, we point out some of the key issues that the diamond-like simulation faces and give the prospect for its fu-ture development at the end of this paper.
Keywords
Diamond-Like Carbon Films, Molecular Dynamics Simulation, Interatomic Potentials
类金刚石薄膜的分子动力学研究
杜敏永1，张铭1*，魏纪周1，邓浩亮1，楚上杰1，任坤2
1北京工业大学，材料科学与工程学院，北京
2北京工业大学，电子信息与工程学院，北京
Email: duminyong@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,
收稿日期：2014年5月28日；修回日期：2014年6月25日；录用日期：2014年7月4日
*通讯作者。
摘要
自类金刚石薄膜发现以来，由于具有优越的物理性能，它的研究和应用都十分的广泛。因此，为了得到更好的性能，探索更佳的结构，早在上世纪80年代就已经开始了利用分子模拟的方法对它进行研究。本文就是在这种研究背景下，介绍了对类金刚石薄膜分子动力学研究的发展情况，并且对各个时期具有代表性的研究进行了简要的总结。然后，在文章的末尾指出了类金刚石模拟所面临的一些关键问题，并对其未来的研究方向进行了展望。
关键词
类金刚石薄膜，分子动力学模拟，原子相互作用势
1. 引言
20世纪70年代，Aisenberg、Pencen等人首次利用离子束沉积法(IBD)在室温下制得了一种硬质膜，称其为类金刚石(DLC)薄膜[1][2]。到70年代末期，E. G. Spencer和Weissmantel等提出了离子束增强沉积法(IBED)制备DLC膜，并率先对其进行了研究[3]。由于制备方法简单，同时具有金刚石和石墨的优点,以及在光学，电学，机械制造，医学，惯性约束聚变等领域拥有广阔的应用前景，这种类金刚石薄膜在科研界迅速引起了极大的关注。
随着不断的研究人们已经逐渐认识到这种类金刚石薄膜是一种非晶薄膜，拥有网状的结构。并发现非晶类金刚石薄膜同时含有sp3、sp2、sp1这三种杂化键，它的性能随sp3、sp2、sp1的含量不同而发生变化[4]。在信息时代，为了更好的研究性能和结构，仅仅依靠传统的实验方法显然已无法满足需要，而分子动力学模拟在材料研究中所表现出的省时，省料，以及节约劳动力的巨大优势，使这种方法得到了迅速发展。所谓分子动力学模拟是指以玻恩-奥本海默近似[5]为基本前提，选取合适的系综和原子相互作用势建立模型，并用牛顿力学方程对体系中的粒子进行求解，直到体系性质趋于稳定。可以说实验与模拟相结合的研究方法越来越受研究者们的青睐，它实现了人们对材料有目的、有规律、高效率的进行研究的梦想。
2. 类金刚石薄膜的分子动力学研究
2.1. 原子作用势函数
上世纪80年代，美国的D. Beeman和英国的J. Robertson等人对无序的非晶碳模型进行了研究，发现体系中的sp2结构所得的数据与实验结果差距较大，这是因为在模拟中原子的相互作用势对π键的考虑不足造成的[6]-[8]。紧接着，IBM研究部门的J. Tersoff引入了一种经验原子势函数，研究发现，这种势函数可以非常精确的描述碳的结构、性能等[9][10]。但Tersoff势在描述π-π键交互能上依然无能为力。1990年，美国的Brenner基于Tersoff势引入了经验的多体势函数，由于在计算上具有短程和快速的优点，这使得进行大规模的分子动力学模拟得以实现[11]，但其仍不能对石墨的结构进行完整的模拟。后来，克里特岛大学的Pantelis C Kelires用修正后的势函数[12]，对非晶碳模型的结构，力学性能和弹性性能进行了研究。发现模型的弹性软化和局部应力对网状非晶碳的形成起了促进作用，但是对sp3到sp2的转化机制和电子的行为并没有给出很好的解释[13][14]。
为了更好的考虑电子行为对类金刚石薄膜性能的分子动力学模拟的影响，爱荷华州立大学的Wang
等人采用紧束缚的分子动力学方法计算了类金刚石薄膜电子结构，但遗憾的发现高密度的sp3含量与试验结果存在很大的偏差[15][16]。德国的Th. Frauenheim等人则用半经验势密度泛函近似的分子动力学对淬火的非晶碳模型和加氢的非晶碳模型的结构，物理性能和电子性能进行了模拟研究，并利用二体交换势和局域态密度近似将多电子相互交换能等效为一个电子的势能。发现这可以对π键的影响给出很好的解释，并指出高密度，高四面体键的模型的电子带性能与sp3模型中嵌入的π键的尺寸和重叠分布有一定的关系，p杂化轨道的重叠促进了强π键的形成[17]-[20]。后续还有许多人做了相关方面的研究，他们从新的模型结构，大的计算基组，以及第一性原理分子动力学等方面入手，寻求更高的精确度，在前人的工作基础上取得了一定的进展[21]-[29]。
我们可以发现，采用Tersoff势和Brenner势可满足对具有大量粒子、且电子行为与π-π键交互作用对其性质影响不大的系统的分子动力学研究的需要。但当π键与电子行为等因素对薄膜性质有较为重要的影响时，上述两种作用势将不能满足对类金刚石薄膜分子动力学研究的要求，在这种情况下，为了更好的逼近真实情况，并得到更好的计算精度，更加准确的原子间作用势是必须考虑解决的最重要的影响因素之一。例如，改进后的多体Tersoff势函数，甚至是采用精度更高的第一性原理法等都是目前研究者们所做的一些有益的尝试[17][23][24]。但另一方面，我们也应该认识到，随着计算精度的提高，分子动力学模拟对计算的软硬件的要求也越来越高，而且，也会大幅增加计算量和计算时间，因此，在实际的模拟工作中，研究者必须根据研究的实际需要，采用合适的模型和原子作用势来进行计算，以获得计算精度与计算工作量之间的最佳效能比。
2.2. 国内外对薄膜生长机理的研究
到目前为止，针对类金刚石薄膜的生长机理已有很多理论与实验研究工作，但还未取得一致的认识，比较获得接受的生长机理是认为，由浅层碳离子注入所引起的内部亚表面原子的生长[30]。例如，德国科学家H. U. Jager和A. Yu. Belov以Brenner势模拟原子间的相互作用，用分子动力学模拟研究了ta-C薄膜的形成，并进一步研究了薄膜在退火处理后网状非晶碳中sp2团簇结构的形成与演化[30]-[32]。他们发现，基体的温度和沉积粒子的入射能量对薄膜的生长有显著的影响，具体表现为：在低温下薄膜中sp3键含量随能量的增加而增加，但当沉积离子束的能量低于20 eV时，将不会产生具有类金刚石性能的薄膜，这与Y. Lifshitz等提出的亚表层注入模型的情况相一致[33]-[35]。当基体的温度超过临界温度Tc(约为100℃)时，ta-C将急剧转变为石墨相。在对薄膜进行后续的退火处理研究时，通过比较退火薄膜与沉积型薄膜的结构发现，当薄膜的密度小于3 g/cm3时，随着大量的sp2键的形成，ta-C的结构渐趋不稳定，这与早期的相关报道也是符合的[30]-[32]。但是，由于研究中采用的原子间作用势是Brenner势函数，正如我们上文中所讨论的，由于该势无法很好的模拟π键的影响，因此，应用该势很难对富含sp2键的薄膜性质作出很好的预测，这方面还有待于后续研究，例如构建更精确的原子间作用势等，以及与实验研究的结合，才能对富含sp2键的类金刚石薄膜的结构与性质有一个更好的认识。
在类金刚石薄膜生长机理的分子动力学研究方面国内学者也开展了大量的工作，例如，清华大学马天宝等人以半经验的反应式键序势函数(REBO) [36]，用分子动力学从原子尺度上研究了薄膜的生长[37]。他们的研究指出，原子在薄膜表面的行为可分为表面冷冻，注入，迁移和反弹等四种，并给出了四种行为与能量变化的关系，如图1所示。研究结果显示，在低能量态下，原子主要存在迁移和冷冻行为，当能量超过约为30 eV的阀值时，原子的注入行为随着入射能量的升高显著增加，而冷冻行为显著减少。在高能量态下，原子的行为主要为注入和迁移。原子注入易于形成sp3杂化占优的致密薄膜，而原子迁移却导致薄膜的热弛豫，使亚稳态sp3结构向更稳定的sp2结构转化。入射原子注入和迁移数目及剧烈程度的对比决定了DLC薄膜生长的模式和最终结构，即类金刚石薄膜的最终结构是由于原子注入效应和
Figure 1.Relationship between surface atomic behavior and the
incident energy [37]
图1. 表面原子行为与入射能量的关系[37]
弛豫效应互相竞争的结果[37]。马天宝等人的研究解决了Lifshitz的亚表层注入模型在理论上存在的局限性，具体的阐述了薄膜表面的原子弛豫现象，对研究入射原子的表面行为具有重要贡献，并且对sp3占优的薄膜的制备方法提出了有价值的理论建议。
2.3. 类金刚石薄膜性能的研究
国外关于类金刚石薄膜的摩擦性能的研究早在上世纪80年代就已经开展[38]，但在国内起步的相对较晚。王丽莉等人用基于密度泛函理论的第一原理分子动力学方法模拟研究了类金刚石薄膜(110)面的结合强度和摩擦性能[39]。研究发现，表面排斥相互作用发生在0.25 nm以内，表面的结合强度为6 Mpa。而通过<001>和<110>两个方向上的摩擦性能的对比，发现<110>方向上的摩擦力一直高于<001>方向上的摩擦力，且<110>方向上的滑动磨损率更高，更易于发生摩擦表层的偏转。该项研究分析了摩擦力各向异性的成因，从理论上对类金刚石薄膜抛光率的各向异性做出了定性的解释[39]。
类金刚石薄膜与基体的结合力是影响类金刚石薄膜应用的重要性能的之一，理论研究发现，其可以通过多叠层结构来增强[40]-[42]。E. B. Halac等人利用分子动力学方法，通过改变沉积能量的方法得到了多叠层结构的非晶碳薄膜模型，并对多叠层结构对膜基结合力的影响进行了细致的研究[43]。他们的研究发现，粒子入射能量的增大有益于提高薄膜的抗压强度、密度、sp3含量等性质，而多叠层结构则可以降低薄膜的内应力，进而增强膜基结合力和薄膜的热稳定性。并且，通过对薄膜进一步退火研究发现，多叠层样品只有最外面的浅层区域发生了结合键的转变和抗压应力降低的现象，而大部分内部区域的sp3/sp2比率几乎不变，这说明多叠层结构的热稳定性好，且证实了非晶碳薄膜的多叠层结构很好的保护了退火后样品的硬度等性能。该项研究表明，可以通过改变能量来获得不同参数的多叠层结构的薄膜，多叠层结构利于提高膜基的结合力，但随层数的增加，薄膜机械和电子性能的演变则还需要更加深入的研究。
此外，通过分子动力学的方法还可以模拟不同的工艺条件对类金刚石薄膜表面粗糙度的影响，例如，Minwoong Joe等人通过分子动力学研究指出，类金刚石薄膜表面粗糙度与入射原子团剂量及其入射角度均有很大的依赖关系，计算结果如图2所示。在入射角度为0?和30?时，薄膜的粗糙度几乎不随剂量的变化而变化；当入射角度变为60?和70?时，薄膜的粗糙度随入射剂量的增加显著增大。他们经过综合分析后发现，随着入射角度的增大，入射粒子的冲击会诱导薄膜表面原子向上传输以形成晶核结构，进而对
Figure 2.Surface roughness evolution as a function of
ion dose. Three stages of roughness evolution are
shown: the initial roughening stage (I), the seed-form-
ing stage (II), and the shadowing-driven rapid rough-
ening stage (III) [44]
图2.表面粗糙度随离子剂量的演化图。粗糙度的演
化分为三个阶段展示：最初粗糙度阶段(Ⅰ)，晶核
形成阶段(Ⅱ)，遮蔽引起的快速粗化阶段(III)[44]
后续入射原子团产生遮蔽效应，最终导致薄膜表面粗糙度的急剧增大[44]。尽管他们的研究结果对如何控制薄膜表面粗糙度提出了可能的途径，但通过对实验研究的调研可以发现，粒子的入射能量也是造成薄膜表面粗糙度的重要影响因素之一，而在Joe等的研究中并没有考虑入射能量的影响。
经过二、三十年的发展，除了上文中涉及的针对薄膜生长及其物理性质的模拟外，利用分子动力学方法对类金刚石薄膜的研究工作仍然方兴未艾，目前已拓展到诸多领域，例如，关于新型沉积源的模拟研究[45]、以及和纳米学，细菌学，电学等的结合等[46]-[49]。这充分表明，针对类金刚石薄膜的分子动力学研究已发展为一种面向应用的多学科综合性研究。
3. 结束语
本文较为系统的综述了针对类金刚石薄膜的分子动力学研究的进展。以往的研究表明，原子间相互作用势是影响分子动力学模拟计算结果准确性的最重要的因素之一。Tersoff势和Brenner势完全可以满足粒子数量巨大、但电子行为与π-π键交互作用对其性质影响不大且对计算精度要求不高的类金刚石薄膜的分子动力学研究。但若需得到高精度的计算结果，则需考虑采用大基组或电子行为与π键影响的多体势的分子动力学方法，或者采用第一性原理的分子动力学方法也是一种有益的尝试[23][24][27]。此外，尽管针对类金刚石薄膜性能模拟与优化的分子动力学研究已有很多，但通过对当前研究结果的综合分析后不难发现，在对类金刚石薄膜的生长机理，以及对其膜基结合力、表面粗糙度、热稳定性等物理性质的认识和优化方面还存在很多尚未解决的问题，这都有待于我们进一步的深入研究。
致谢
感谢国家重大专项和北京工业大学先进技术基金的资助。
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Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 145-151 Published Online July 2014 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,/journal/ms https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,/10.12677/ms.2014.44022 The Molecular Dynamics Simulation on the Diamond-Like Carbon Films Minyong Du1, Ming Zhang1*, Jizhou Wei1, Haoliang Deng1, Shangjie Chu1, Kun Ren2 1College of Materials Science and Engineering, BeiJing University of Technology, Beijing 2College of EE and CE, Beijing University of Technology, Beijing Email: duminyong@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html, Received: May 28th, 2014; revised: Jun. 25th, 2014; accepted: Jul. 4th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,/licenses/by/4.0/ Abstract The research and application of the diamond-like carbon films are very extensive since it was found due to the superior properties. Therefore, we had begun to study using molecular simula-tion methods in order to get better properties and explore better structure as early as the 1980s. In this background, the paper describes the development of the case of the diamond-like carbon films’ study, and gives a brief summary for the representative study of each period. Then, we point out some of the key issues that the diamond-like simulation faces and give the prospect for its fu-ture development at the end of this paper. Keywords Diamond-Like Carbon Films, Molecular Dynamics Simulation, Interatomic Potentials 类金刚石薄膜的分子动力学研究 杜敏永1，张铭1*，魏纪周1，邓浩亮1，楚上杰1，任坤2 1北京工业大学，材料科学与工程学院，北京 2北京工业大学，电子信息与工程学院，北京 Email: duminyong@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html, 收稿日期：2014年5月28日；修回日期：2014年6月25日；录用日期：2014年7月4日 *通讯作者。
类金刚石薄膜 资料介绍
类金刚石膜技术基础 一、类金刚石薄膜发展史： 金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。 光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。 目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。 1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进程 自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。当时，这种膜被人们称作i形碳。直到1976年，斯潘塞（Spencer）等人对这种应碳膜的结构进行了探讨，结果确认膜中有金刚石等数种碳系结晶，后才被人们称之为类金刚石膜。就在这一年，德贾吉恩（Derjaguin）等人利用化学转变法合成出了金刚石薄膜。从此之后，低压CVD金刚石薄膜工艺引起了人们的注意。70年代中期，前苏联的科学家，论证了实用的CVD金刚石薄膜技术，接下来日本人又模仿和发展了此项技术。进入80年代后，低压CVD金刚石薄膜研究在日本蓬勃开展起来。在从1963～1987年的25年中，各国相继发表的有关金刚石薄膜制作技术及其相关材料的专利，共有672篇。其中美国
类金刚石薄膜界面结合力的改善技术
类金刚石薄膜界面结合力的改善技术 赵洋1 （1.西南大学材料科学与工程学院，重庆400715) [摘要] 本文对当前国内外改善DLC薄膜界面结合力的技术进行了综述，包括改善沉积工艺、掺杂、过渡层设计等，为改善DLC薄膜结合力提供依据。 [关键词]类金刚石薄膜；内应力；结合力 technology of improving the interfacial adhesion of DLC films Zhao Yang1 (1．School of Materials Science and Engineering，Southwest University，Chongqing 400715，China；) [Abstract] Current domestic and international technology of improving the interfacial adhesion of DLC films are summarized in this paper in order to supply the accordance of improving the adhesion，which includes the changing of deposition parameters, doping, interlayers, and so on. [Key words] DLC films; intrinsic force；adhesion 1 引言 类金刚石薄膜(DLC)，具有类似于天然金刚石的性质，是一种新型的硬质润滑功能薄膜材料[1]，薄膜中的碳原子部分处于sp2杂化状态，部分处于sp3杂化状态，同时也有极少数处于sp1杂化状态[2]。由于具有优良的光、电和力学特性, 在工业上具有广泛的应用前景[3~4], 近年来DLC膜在许多方面已得到了工业化应用, 如在切削刀具, 自动化机械零部件等的表面涂层处理上。 然而，DLC膜的一个致命弱点是内部应力很高, 有些DLC膜应力高达10G Pa，使得薄膜的结合力特性较差、不易厚膜化,从而极大地限制了它的应用范围。这主要是由于DLC薄膜在沉积过程中，离子对基体表面的轰击和注入，使得膜基之间存在较大的应力，再加上本身具有的化学惰性, 难以与基体形成化学健合, 使得其与一些常用的衬底材料难于形成强固的粘合层。为改善DLC薄膜的特性，尤其是界面结合力，许多科研工作人员从多方面进行了探索和研究。目前，国内外改善DLC薄膜界面结合强度主要是从本征应力和界面应力的控制两方面来着手。其中，通过改变工艺参数、掺杂第三元素[5]、引入中间过渡层或进行退火后处理[6]等方式来改善DLC膜结合力是目前技术研究的热点。 2 DLC结合力改善技术
纳米金刚石薄膜的制备
?材料? 纳米金刚石薄膜的制备3 杨保和33,崔 建,熊 瑛,陈希明,孙大智,李翠平 (天津理工大学光电信息与电子工程系,薄膜电子与通信器件天津市重点实验室,天津300191) 摘要:采用微波等离子体化学气相沉积系统,利用氢气、甲烷、氩气和氧气为前驱气体,在直径为5cm的(111)取 向镜面抛光硅衬底上沉积出高平整度纳米金刚石薄膜。利用扫描电镜、X射线衍射谱和共焦显微显微拉曼光 谱我们分析了薄膜的表面形貌和结构特征。该薄膜平均粒径约为20nm。X射线衍射谱分析表明该薄膜具有 立方相对称(111)择优取向金刚石结构。在该薄膜一阶微显微拉曼光谱中,1332cm-1附近微晶金刚石的一阶 特征拉曼峰减弱消失,可明显观测到的三个拉曼散射峰分别位于1147cm-1、1364cm-1和1538cm-1,与己报导 的纳米金刚石拉曼光谱类似。该方法可制备出粒径约为20nm粒度分布均匀致密具有较高含量的sp3键的纳 米金刚石薄膜。 关键词:纳米金刚石薄膜;微波等离子体化学气相沉积 中图分类号:O484.4 文献标识码:A 文章编号:100520086(2008)0520625203 T he fab rication of nano2di amond substrate for SA W d evice in high frequ ency and pow er Y ANG Bao2he33,CUI Jian,XIONG Y ing,CHEN X i2ming,SUN Da2zhi,LI Cui2ping (Dept.of Opt.Electronic Information and Electronic Engineering,Tianjin University of T echnology,Tianjin K ey Lab.of Film Electronic&C ommunicate Devices,Tianjin300191,China) Abstract:A novel method to nano2diam ond films is provided.Nano2diam ond film has been prepared on(111)m irror polished Si substrate by m icrowave plasma chem ical deposition system with m ixture gases of H2,CH4,O2and Ar.C ombined SEM, golden phase micro2pictures,XRD spectrum and micro2Raman spectrum the morphology and structure of the film are charac2 terized.It is found that the film has uniform particle size and the average size,of diam ond particles is about20nm.According to the XRD spectrum,the film is cubic structure(111)diamond.And the only allowed Raman band in the first2order dia2 m ond spectrum near1332cm-1decreases and can′t be observed in the micro2Raman spectrum of the film.Three Raman band near1147cm-1,1364cm-1and1538cm-1lie in the spectrum which are sim ilar to the reported nano2diam ond films. 20nm plain diam ond film with high concentration of sp3is obtained by this method. K ey w ords:nano2diamond film;micowave plasma chemical vapor deposition 1 引 言 当今世界,电子和光电子产品正迅速朝着速度更快、体积更小、功率更高的方向发展。但是小体积、高功率的电子和光电器件由于会在小面积上产生大量的热(有时高达几个kW/ cm2)而导致出现一个极大的热通量,如果不能迅速降温散热器件就容易出现问题。金刚石具有所有物质中最高的热导率,最好的化学稳定性和抗各种辐射能力等,这使它成为具有广泛应用前景的新型薄膜功能材料[1～5]。 然而,作为实用的薄膜功能材料往往需要薄膜有很好的平整度。由于金刚石晶体生长特点是呈笋状生长,所以具有一定厚度的高平整度的微晶金刚石薄膜的制备难度很大[3]。另外,考虑到微晶金刚石的硬度和粗糙度,抛光过于昂贵和消费时间。所以也有必要探索自然生长具有光滑表面的薄膜。纳米金刚石膜致密光滑,缺陷和晶界尺度远小于微米量级,具有与金刚石微晶近似的较高的弹性模量,是非常优异的声表面波基底材料[2,4,5];另外,由于纳米金刚石的沉积方法是通过减少反应气体中刻蚀气体氢气的比重,增加反应中碳的二聚物C2,所以生长机制不同于微晶薄膜,可以制备表面平整且较厚的膜[2]。以上原因使高平整度纳米金刚石薄膜的制备成为金刚石声表面波器件研究的主要内容之一。 目前已报导的纳米金刚石膜的制备路径一方面可以通过 光电子?激光 第19卷第5期 2008年5月 Journal of Optoelectronics?Laser Vol.19No.5 May2008 3收稿日期:2006210203 修订日期:2007212218 3 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60576011);天津市自然基金重点资助项目(05YF J Z JC00400);天津市科技发展计划资助项目(06TXT JJC14701);天津市自然基金资助项目(05YF J M JC05300) 33E2m ail:bhyang207@https://www.wendangku.net/doc/1d14660854.html,
类金刚石薄膜制备和应用
类金刚石膜调研 类金刚石薄膜发展史： 金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。 光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。 目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。 1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进展 自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。当时，这种膜被人们称作i形碳。直到1976年，斯潘塞（Spencer）等人对这种应碳膜的结构进行了探讨，结果确认膜中有金刚石等数种碳系结晶，后才被人们称之为类金刚石膜。就在这一年，德贾吉恩（Derjaguin）等人利用化学转变法合成出了金刚石薄膜。从此之后，低压CVD金刚石薄膜工艺引起了人们的注意。70年代中期，前苏联
金刚石薄膜的性能研究
金刚石薄膜的性能研究 金刚石薄膜的应用 由于金刚石的优异性质，加上CVD法大大降低了金刚石的生产成本而CVD金刚石薄膜的品质逐渐赶上甚至在一些方面超过天然金刚石而使得金刚石薄膜广泛地用于工业的许多领域： 1 工具领域 随着汽车、航空和航天工业的发展以及对材质轻量化、高比强度的要求日益提高，有色金属、碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）、纤维增强金属（FRM）以及石墨、陶瓷等新材料在工业中的应用日益广泛，因而对加工这些材料的刀具提出了更高的要求，金刚石的高硬度，耐磨损，高热导，低热膨胀系数，低摩擦系数，化学惰性等优点使得金刚石是加工非铁系材料的理想工具材料。HTHP金刚石在二十世纪60年代就被用于刀具领域，但由于其制备工艺复杂，价格昂贵，刀具种类受限而限制了其在工业上的广泛应用；将金刚石薄膜直接沉积在刀具表面，能极大地延长刀具的使用寿命，加工质量也大为提高。 2 热沉领域 目前国内半导体功率器件采用铜作热沉，在同时要求绝缘的场合采用氧化铍陶瓷。但氧化铍在制备过程中有剧毒物质产生，在发达国家已禁止使用。金刚石在室温下具有最高的热导率，是铜、银的5倍，又是良好的绝缘体，因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电子器件的理想散热材料 采用金刚石热沉（散热片）的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等方面都有应用；金刚石热沉商品也已在国外市场出现。金刚石热沉的另一应用前景是用于正在发展之中的多芯片技术（MCMs，Multi Chip Modules）,这一技术的目标是把许多超大规模集成电路芯片以三维的方式紧密排列结合成为超小型的超高性能器件，而这些芯片的散热则是该技术的关键，显然金刚石薄膜是解决这一技术难题最理想的材料。 3 光学应用领域 金刚石的光学吸收在0.22μm左右，相当于真空紫外光波段，从此位置直到毫米波段，除位于～5μm附近由于双声子吸收而造成的微弱吸收峰（吸收系数～12.3cm-1）外，不存在任何吸收峰。 金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好。在军事可用作红外光学窗口和透镜的涂层。在民用方面可用作在恶劣环境（如冶金，化工等）下工作的红外在线监测和控制仪器的光学元件涂层。CVD金刚石膜通常沉积温度在800～1000℃左右,大多数光学材料衬底都不允许在这样高的温度下沉积金刚石膜,因此在低温下沉
类金刚石薄膜的性能与应用
学科前沿知识讲座论文
类金刚石薄膜的性能与应用 摘要： 类金刚石膜(Diamond-like Carbon)简称DLC，是一类性质类似于金刚石如具有高硬度、高电阻率、耐腐蚀、良好的光学性能等，同时其又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳膜。作为功能薄膜和保护薄膜，其广泛应用于机械、电子、光学、医学、航天等领域中。类金刚石膜制备方法比较简单，易实现工业化，具有广泛的应用前景。 关键词：超硬材料类金刚石薄膜制备气象沉积表面工程技术引言 磨损是工程界材料功能失效的主要形式之一，由此造成的资源、能源的浪费和经济损失可用“巨大”来表示。然而，磨损是发生于机械设备零部件表面的材料流失过程，虽然不可避免，但若采取得力措施，可以提高机件的耐磨性。材料表面工程主要是利用各种表面改性技术，赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、低摩擦系数、良好的化学及高温稳定性、理想的综合机械性能及优异的摩擦学性能，从而使零部件表面体系在技术指标、可靠性、寿命和经济性等方面获得最佳效果。硬质薄膜涂层因能减少工件的摩擦和磨损，有效提高表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命，而广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。
一、超硬薄膜材料 随着材料科学和现代涂层技术的发展，应用超硬材料涂层技术改善零部件表面的机械性能和摩擦学性能是21世纪表面工程领域重要的研究方向之一。超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。到目前为止，主要有以下几种超硬薄膜: 1 金刚石薄膜 金刚石薄膜的硬度为50~100GPa(与晶体取向有关)，从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮。金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性的优异性能组合使其成为最理想的工具和工具涂层材料。金刚石薄膜在摩擦学领域应用的突出问题，就是在载荷条件下薄膜与基体之间的粘附强度以及薄膜本身的粗糙度问题，目前，己经有针对性地开展了大量的研究工作。随着研究工作的不断深入，金刚石薄膜将会为整个人类社会带来巨大的经济效益。 2 立方氮化硼(c-BN)薄膜 立方氮化硼(c-BN)薄膜的硬度为50~80GPa，它具有与金刚石相类似的晶体结构，其物理性能也与金刚石十分相似。与金刚石相比，c-BN的显著优点是具有良好的热稳定性和化学稳定性，适用于作为超硬刀具涂层，特别是用于加工铁基合金的刀具涂层。 3 碳氮膜 碳氮膜是新近开发的超硬薄膜材料，理论预测它具有达到和
金刚石材料的功能特性研究与应用
陶瓷专题 金刚石材料的功能特性研究与应用 高 凯,李志宏 (天津大学材料科学与工程学院,天津 300072) Study and Application on Functional Properties of Diamond Materials GAO Kai,LI Zhi hong (S chool of M ater ial S cience and Engineer ing,T ianj in Univer sity,T ianj in300072,China) Abstract:Functional properties of diamo nd mater ials and its study and application recent years on w ide bandg ap semiconducto rs,ultraviolet detectors,sing le pho to n source for quantum computer,so nic surface diffusion and electronic encapsulatio n w ere reviewed in this paper,and other po tential application on func tional proper ties of the diamond materials w ere expected. Key words:Diamo nd,Functional proper ty,Study,Application 摘要:本文综述了金刚石的功能特性及其近年来在宽禁带半导体、紫外探测器、量子计算机用单光子源、声波材料和电子封装等方面的研究与应用进展,并对金刚石材料在其它功能特性方面的开发与应用前景提出了展望。 关键词:金刚石;功能特性;研究;应用 中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1002-8935(2010)04-0009-05 金刚石是目前工业化生产的最硬材料,其前通常利用其硬度特性广泛地作为加工、研磨材料。但它除了具有高硬度之外,其许多优异特性被逐渐发现和挖掘,如室温下高热导率、极低的热膨胀系数、低的摩擦系数、良好的化学稳定性、大的禁带宽度(5 5eV)、高的声传播速度、掺杂诱导的半导体特性以及高的光学透过率,使其在机械加工、微电子器件、光学窗口及表面涂层等许多领域有着广阔的应用前景。因此,金刚石材料的功能特性研究与应用引起了人们极大的兴趣,并在很多领域取得了突破和进展。 1 在宽禁带半导体方面的研究与应用 金刚石作为一种宽禁带半导体,在光电子学中的应用前景无疑是最引人注目的。但是由于n型金刚石半导体掺杂存在着一定的困难,使制备同质结的困难加大,目前领先的依然是麻省理工学院有关于金刚石薄膜p n结的研究[1],2001年麻省理工学院的Koizumi等第一次制备了金刚石薄膜p n结,在金刚石单晶的(111)面上以同质外延生长的方法制备了两层金刚石薄膜,p型半导体使用B元素掺杂金刚石薄膜而成,n型半导体则以P元素掺杂制备,然后他们对这个装置进行了改进,在施加20V 偏压电路的情况下,装置被激发出了紫外光,并且指出,该装置可以在高温下运作。Alexo v A等[2]则在掺杂B元素后的金刚石薄膜上用同质外延法制备了一层掺杂N元素的金刚石薄膜,但是并没有详细报道此p n结的电致发光等特性。之后有关同质结的报道很不常见,估计主要是还是因为金刚石n型半导体掺杂的可重复性存在着一定的困难所致,目前报道都集中于金刚石半导体异质结上,比如,已在Si晶片上生长含B金刚石薄膜[3],或者是制备肖特基二极管(Schottky diodes)和场效应晶体管(Field effect transisto rs,FET)。 1987年化学气相沉积(CVD)法制备含B金刚石薄膜的方法并不完善,所以Geis等[4]用合成含B 金刚石单晶的方法制备了由W元素接触的首个金刚石肖特基二极管,并在700下考察了样品的性能,确定了样品具有很高的击穿场强。同一课题组的相关人员进一步考察了不同金属元素接触对金刚石肖特基二极管性能的影响[5],大量的工作表明,使用Al,Au,H g元素作为含B金刚石的表面接触元
类金刚石薄膜
类金刚石薄膜材料 班级：材料物理081401 姓名：谭旭松 学号：200714020124
1.1类金刚石薄膜材料的概述 类金刚石薄膜（Diamond Like Carbon）简称DLC,它是一类性质近似于金刚石，以sp3和 sp2键杂化的碳原子空间网络结构的亚稳态非晶碳膜。依据制备方法和工艺不同，DLC的性质可以在非常大的范围变化，既可能非常类似与金刚石，也可能非常类似与石墨。其硬度、摩擦系数、导热率、光学带隙、光学透光率、电阻率等都可以依据需要进行“调制”。一般类金刚石薄膜沉积温度较低、膜面平整光滑，因而在机械电子光学声学计算机的很多领域得到应用，如耐磨层、高频扬声器振膜、光学保护膜等，因此对DLC的开发研究引起很多材料工作者的极大关注。自从1971年Aisenberg 和Chabot 两位科学家利用碳离子束沉积出DLC 薄膜以来，人们已经成功地研究出了许多物理气相沉积、化学气相沉积以及液相法制备DLC 薄膜的新方法和新技术。这之中有两个法分别为气相法和沉积法。 1.2类金刚石薄膜材料的结构和分类 常态下碳有三种键和方式：sp1，sp2，sp3。在sp3态碳原子的四个电子按四面体形状分布成sp3杂化轨道，形成强σ键；在sp2态，碳原子的四个电子中的三个形成在同一平面内的三次轴对称的sp2杂化轨道，它们可形成强σ键第四个电子轨道与该平面垂直，形成π键；在sp1态，仅两个电子形成σ键，另两个电子形成π键。金刚石（diamond）—碳碳以 sp3键的形式结合；石墨（graphite）—碳碳以sp2键的形式结合；而类金刚石（DLC）—碳碳则是以sp3和 sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性；所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，因而类金刚石薄膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间，收沉积环境和沉积方式影响类金刚石薄膜中还可能含有H等杂质，形成一定数量的C-H键。 类金刚石薄膜（DLC）是1种非晶薄膜，可分为无氢类金刚石碳膜(a-C)和氢化类金刚石碳膜(a-C：H)两类。无氢类金刚石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2键碳原子相互混杂的三维网络构成)，以及四面体非晶碳(tetrahedral carbon，简称ta-C)(主要由超过80％的sp3键碳原子为骨架构成)；氢化类金刚石碳膜(a-C：H)又可分为类聚合物非晶态碳(polymer—like carbon，简称PLC)、类金刚石碳、类石墨碳3种，其三维网络结构中同时还结合一定数量的氢. 类金刚石碳膜（diamond-like carbon films，简称DLC膜），的基本成分是碳，由于其碳的来源和制备方法的差异，DLC膜可分为含氢和不含氢两大类。DLC膜是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，在含氢DLC膜中还存在一定数量的C-H键。我们从1996年起开始磁过滤真空弧及沉积DLC膜研究，正在完善工业化技术。如等离子体源沉积法、离子束源沉积法、孪生中频磁控溅射法、真空阴极电弧沉积法和脉冲高压放点等。不同的制备方法，DLC膜的成分、结构和性能不同。类金刚石碳膜作为新型的硬质薄膜材料具有一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学惰性等，可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，具有良好的应用前景。我们开发了等离子体-
类金刚石薄膜
类金刚石薄膜 类金刚石薄膜是近来兴起的一种以sp3和sp2键的形式结合生成的亚稳态材料，兼具了金刚石和石墨的优良特性，而具有高硬度.高电阻率.良好光学性能以及优秀的摩擦学特性。 类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜，是英文词汇Diamond Like Carbon的简称，它是一类性质近似于金刚石，具有高硬度.高电阻率.良好光学性能等，同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。碳元素因碳原子和碳原子之间的不同结合方式，从而使其最终产生不同的物质：金刚石（diamond）—碳碳以sp3键的形式结合；石墨（graphite）—碳碳以sp2键的形式结合；而如同绪论里所述类金刚石（DLC）—碳碳则是以sp3和sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性；所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，而在含氢的DLC膜中还存在一定数量的C-H键。由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键，叫做σ键。σ键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的，具有较大的重叠程度，因此σ键比较稳定。σ键是能围绕对称轴旋转，而不影响键的强度以及键跟键之间的角度（键角）。根据分子轨道理论，两个原子轨道充分接近后，能通过原子轨道的线性组合，形成两个分子轨道。其中，能量低于原来原子轨道的分子轨道叫成键轨道，能量高于原来原子轨道的分子轨道叫反键轨道。以核间轴为对称轴的成键轨道叫σ轨道，相应的键叫σ键。以核间轴为对称轴的反键轨道叫σ*轨道，相应的键叫σ*键。分子在基态时，构成化学键的电子通常处在成键轨道中，而让反键轨道空着。σ键是共价键的一种。它具有如下特点：第一点，σ键有方向性，两个成键原子必须沿着对称轴方向接近，才能达到最大重叠；第二点，成键电子云沿键轴对称分布，两端的原子可以沿轴自由旋转而不改变电子云密度的分布；第三点，σ键是头碰头的重叠，与其它键相比，重叠程度大，键能大，因此，化学性质稳定。共价单键是σ键，共
几种CVD制备金刚石薄膜的方法.
几种CVD制备金刚石薄膜的方法 1.热丝CVD法 此法又称为热解CVD法,Matsumoto等人采用热丝CVD法成功地生长出了金刚石薄膜。该法是把基片(Si、Mo、石英玻璃片等放在石英玻璃管做成的反应室内,把石英管内抽成真空后,把CH4和H2的混合气体输人到装在管中的钨丝附近(两种气体的流量比为0.5%-5%。用直流稳压电源加热钨丝到约2000℃,反应室内温度为700~900℃,基片温度为900℃左右,室内气体压力为1×103-1×105Pa。在这样的反应条件下,CH4和H2混合气中的H2被热解,产生原子态氢,原子态氢与CH4反应生成激发态的甲基,促进了碳化氢的热分解,促使金刚石SP3杂化C-C键的形成,使金刚石在基片上沉积,获得立方金刚石多晶薄膜。沉积速率为8-10μm/h 我国的金曾孙等人也用热丝CVD法生长出质量很好的金刚石薄膜。实验表明,基片温度和甲烷的浓度是薄膜生长最为重要的参数,它们对金刚石薄膜的结构、晶形、膜的质量和生长速率影响甚大。该法的特点是装置结构简单、操作方便、容易沉积出质量较好的金刚石膜。 2.电子加速CVD法 此法是在用热丝CVD法沉积金刚石薄膜过程中,用热电子轰击基片表面,加速金刚石在基片上沉积。与热丝CVD法不同的是,该法把电压正极接在用铝制成的基片架上,经加热的钨丝发射电子,电子在电场作用下轰击阳极的基片。CH4和H2的混合气体被输送到基片表面,由于热反应和热电子轰击的双重作用,使气体发生分解,形成各种具有活性的碳氢基团,促使具有双键和三键的碳离解,加速金刚石的成核和生长。基片可选用Si、SiC、Mo、WC、A12O3等材料。一般的工艺参数是:甲烷为ψ(CH4=0.5%~2.0%;气体流速为5-50cm3/min;基片温度在500~750℃之间;钨丝温度为2000℃;基片支架的电流密度为10mA/cm2,电压150V。用此法沉积出的金刚石薄膜的性质与天然金刚石基本相同,晶形完整,生长速率一般为3~5μm/h。此法的特点是通过电子轰击基片,从而加速了CH4和H2的分解,增加了基片表面上金刚石的
金刚石薄膜
金刚石薄膜 类金刚石薄膜是近来兴起的一种以sp3和sp2键的形式结合生成的亚稳态材料，兼具了金刚石和石墨的优良特性，而具有高硬度。高电阻率。良好光学性能以及优秀的摩擦学特性。 结构 类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜，是英文词汇DiamondLikeCarbon的简称，它是一类性质近似于金刚石，具有高硬度.高电阻率.良好光学性能等，同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。碳元素因碳原子和碳原子之间的不同结合方式，从而使其最终产生不同的物质:金刚石(diamond)-碳碳以sp3键的形式结合;石墨(graphite)-碳碳以sp2键的形式结合;而如同绪论里所述类金刚石(DLC)-碳碳则是以sp3和sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性;所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，而在含氢的DLC膜中还存在一定数量的C-H键。 由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互
重叠而形成的共价键，叫做σ键。σ键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的，具有较大的重叠程度，因此σ键比较稳定。σ键是能围绕对称轴旋转，而不影响键的强度以及键跟键之间的角度(键角)。根据分子轨道理论，两个原子轨道充分接近后，能通过原子轨道的线性组合，形成两个分子轨道。其中，能量低于原来原子轨道的分子轨道叫成键轨道，能量高于原来原子轨道的分子轨道叫反键轨道。以核间轴为对称轴的成键轨道叫σ轨道，相应的键叫σ键。以核间轴为对称轴的反键轨道叫σ*轨道，相应的键叫σ*键。分子在基态时，构成化学键的电子通常处在成键轨道中，而让反键轨道空着。 σ键是共价键的一种。它具有如下特点: 第一点，σ键有方向性，两个成键原子必须沿着对称轴方向接近，才能达到最大重叠;第二点，成键电子云沿键轴对称分布，两端的原子可以沿轴自由旋转而不改变电子云密度的分布;第三点，σ键是头碰头的重叠，与其它键相比，重叠程度大，键能大，因此，化学性质稳定。共价单键是σ键，共价双键有一个σ键，π键，共价三键由一个σ键，两个π键组成。 分类 类金刚石薄膜(DLC)是1种非晶薄膜，可分为无氢类金刚石碳膜(a-C)和氢化类金刚石碳膜(a-C:H)(图2)两类。无氢类金刚石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2键碳原子相互混杂
oDLC类金刚石镀膜技术知识介绍
oDLC类金刚石镀膜技术知识介绍 DLC（类金刚石薄膜）定义： 类金刚石薄膜是近年兴起的一种以sp3和 sp2键的形式结合生成的亚稳态材料，兼具了金刚石和石墨的优良特性，而具有高硬度.高电阻率.良好光学性能以及优秀的摩擦学特性。类金刚石薄膜通常又被人们称为DLC薄膜，是英文词汇Diamond Like Carbon的简称，它是一类性质近似于金刚石，具有高硬度.高电阻率.良好光学性能等，同时又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳薄膜。 DLC薄膜性能 机械性能：高硬度和高弹性模量、优异的耐磨性、低摩擦系数 电学性能：表面电阻高化学惰性大 光学性能：DLC膜在可见光区通常是吸收的，在红外去具有很高的透过率稳定性：亚稳态的材料、热稳定性很差，400摄氏度 oDLC镀膜技术解析： oDLC镀膜技术，是指通过纳米镀膜技术将DLC(类金刚石薄膜)均匀地沉积于钢化玻璃或者物质表面，形成一层独特的保护膜。借助类金刚石薄膜自身的高硬度优势提高钢化玻璃的表面硬度，改善其防刮抗压性能。、 oDLC镀膜技术的应用 由于DLC类金刚石有着和金刚石几乎一样的性质，因此，它的产品被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域。同时类金刚石膜有着比金刚石膜更高的新能价格比，所以相当广泛的领域内可以代替金刚石膜。 1、机械领域的应用 ①用于防止金属化学腐蚀和划伤方面 ②磁介质保护膜 2、电子领域的应用 ①UISI芯片的BEOL互联结构的低K值的材料 ②碳膜和DLC薄膜交替出现的多层结构构造共振隧道效应的多量子阱结构 3、光学领域的应用 ①塑料和聚碳酸酯等低熔点材料组成的光学透镜表面抗磨损保护层 ②DLC膜为性能极佳的发光材料之一：光学隙带范围宽，室温下光致发光和
200915010121化学气相沉积(CVD ) 金刚石薄膜
化学气相(CVD ) 金刚石薄 膜的 主要制备方法及应用
?金刚石又名钻石, 是碳的同素异构体, 属于立方晶系, 具有面心立方结构, 典型的原子晶体。金 刚石具有很多无与伦比的优异性能, 机械特性、 热学特性、透光性、纵波声速、半导体特性及化 学惰性等, 在自然界所有的材料中均是首屈一指的。例如: 金刚石硬度是自然界中硬度最高的, 热导率是已知材料中最高的(是铜的热导率5 倍) , 高绝缘性和从红外到紫外极宽的透光性??。由于 自然界中金刚石储量极少,
, 因此价格昂贵, 而且无论天然金刚石还是高温高压下合成的人造金刚石都是离散的颗粒状, 应用范围受到了很大限制。近几年, 发达国家对化学气相沉积(简称CVD) 金刚石膜制备及应用开发研究进行了大量投资。由于CVD 金刚石制造成本低, 可以大面积化、曲面化, 而且其厚度可按需要从不足1Lm 直至数毫米, 而且制备出的CVD 金刚石薄膜物理性和天然金刚石基本相同或接近, 化学性质完全相同, 使金刚石的应用领域大大扩大。
制备方法1. 1热灯丝CVD 法 (HFCVD) (如图1)
热灯丝CVD 法是在基片表面的附近用5 0. 15mm 左右螺旋钨丝通电加热、钨丝温度控制2000～2200℃。真空室压力控制40 乇左右, 基片温度控制在700～1000℃左右, 基片与钨丝距离l<10mm , 然后通入CH4 和H2 混合气体,使它们激发离解, 从而在基片表面生成金刚石。此法的改良形式是EACVD 法,实际上就是在热丝CVD 基础上给基片加一个150V 左右偏压, 使薄膜在沉积过程中同时受到电子的轰击, 可使薄膜中沉积速率得到提高。 此方法简单易行,缺点是沉积速度较慢v <10Lm?h , 不均匀, 工艺稳定性差, 易污染。
化学气相沉积金刚石薄膜及其应用进展
化学气相沉积金刚石薄膜及其应用进展 摘要：化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。本文简单综述了化学气相淀积金刚石薄膜，又简单介绍了金刚石薄膜在各工业领域内的应用进展情况，并对其发展前景作了展望。 关键词：金刚石薄膜热灯丝CVD法微波等离子体CVD法 前言金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度，室温下有最高的热导率，对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明，有最低的可压缩性，极佳的化学惰性，其生物兼容性超过了钛合金等等。然而由于天然金刚石数量稀少，价格昂贵，尺寸有限等因素，人们很难利用金刚石的上述优异的性能。根据天然金刚石存在的事实以及热力学数据，人们一直想通过碳的另一同素异形体——石墨来合成金刚石。但由于金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒，要将石墨转化为金刚石，必须使用高温高压技术来人工合成，使得人工高温高压合成的金刚石价格昂贵。 20世纪80年代初开发的化学气相沉积(CVD)制备的金刚石薄膜，不仅成本低，质量高，而又可大面积制备，使人们大规模应用金刚石优异性质的愿望，通过CVD法合成金刚石薄膜得以实现。金刚石膜具有极其优异的物理和化学性质，如高硬度、低磨擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙和载流子的高迁移率以及这些优异性质的组合和良好的化学稳定性等，因此金刚石薄膜在各个工业领域有极其广泛的应用前景。 1金刚石薄膜制备 在低温低压下利用化学气相沉积CVD技术生长金刚石膜；含碳化合物和氢气是最主要的原料，前者提供碳源，后者提供原子态的氢，促使更多的碳转变为sp3的金刚石结构，除去未转变为金刚石的其它形态碳(sp2石墨碳或非晶碳、sp1碳)。 金刚石薄膜制备的主要CVD方法：（1）热灯丝CVD(HFCVD)；（2）微波等离子体CVD(MWPCVD)；（3）直流等离子体CVD(DC-CVD)；（4）直流电弧等离子体射流CVD(DC-JET)；（5）电子增强CVD(EACVD)；（6）磁微波等离子体