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7类金刚石薄膜的研究--过程参量的研究

7类金刚石薄膜的研究--过程参量的研究
7类金刚石薄膜的研究--过程参量的研究

PECVD法铝片上沉积类金刚石薄膜的研究: 过程参量的研究

摘要:

类金刚石薄膜的性质受两种因素影响,过程参量和沉积衬底的性质。现在,由于其应用的巨大潜力,铝片上沉积DLC薄膜的工业已受到越来越多人的重视。它可以作汽车活塞、孔、VCR头、复印机鼓室和纺织器材的表面作防磨损薄膜。在目前的研究中,DLC薄膜已经可以在非对称电容耦合沉积系统中通过对甲烷气体辉光放电制备,衬底为商业纯铝(纯度为98.9%),射频频率为200kHz。本文研究诸多过程变量的影响作用,如:功率密度,偏压,甲烷气体压强,气体流量比率的沉积动力学,以及薄膜的硬度和弹性模量。独立过程变量的相互关系,比如功率密度、甲烷气体压强和流量比率,还有应变过程量的相互关系,如偏压和温度,都在已有的模型上进行了研究。

1.概述

DLC本质上是一种非晶态,大多数情况下为氢化了的碳材料。有许多制备方法的DLC 薄膜,以其优异的耐磨性和化学防腐性而闻名[1]。铝及其合金由于其低密度现已作为结构材料被越来越多的讨论。然而,它们的耐磨性质较差,需要在应用的时候在表面镀一层耐磨薄膜,使它成为既有高强度系数,又耐磨的材料。在本文中,表面镀有DLC薄膜的铝及其合金可考虑用于汽车活塞、孔,VCR头、复印机鼓室、纺织机组件等。

有了以上的设想,该项目开始致力于研制在铝沉底上沉积耐磨DLC薄膜。项目的主要任务就是最优化过程变量,以获得最大沉积速率,同时最优化机械变量。

铝片上沉积DLC薄膜的制备是在自行研制的RF-PECVD上进行的。之前已有许多学者研究了RF-PECVD法过程参量对DLC薄膜沉寂速率的影响,而且从研究来看薄膜的沉积速率并会受沉底的强烈影响。然而,现在显然还需要研究出一个过程参量与沉积率的相互关系,原因如下:

1)之前所有的研究者使用的电容耦合RF-PECVD沉积DLC薄膜,使用的射频频率为13.56MHz或者2.3MHz,如表1所示。相比较而言,目前的工作中,使用的却是非常低的射频频率200kHz沉积DLC薄膜,这样可以降低系统成本。由于200kHz的功率系统不但便宜,而且可以在低至1pa的真空条件下工作,因此可以不必使用昂贵的扩散泵和涡轮分子泵。在这样的情形下,确定过程参量对DLC薄膜沉积率和机械性能的影响,评估之前研究得到的高频过程参数与低频200kHz时的参数相关性,研究其应用性价值就显得极为重要。

2)当前200kHzRF-PECVD系统中的过程参量同样适用于前人研究的 2.3MHz或13.56MHz,也就是说,功率密度、气体流量以及气体压力是独立过程变量,而偏压、沉底温度是应变过程变量。然而,正如表1所示,当前设备的一些可用的独立过程变量的范围与之前研究结果大相径庭。例如,甲烷气体的压强和气体流量要高于其他研究者的报道数值(见表1)。在现在的研究中,气体流量的两个值被用来评估气体流量的影响。

3)过程参量与DLC薄膜的沉积率可能与沉底材料没有显著的关系。但是,DLC薄膜的

组成(氢含量以及sp3/sp2)决定了薄膜的硬度和弹性模量值。而沉底与DLC薄膜的热膨胀系数不匹配可以导致内界面应力较大,从而使得膜与衬底的结合力下降。内界面应力的大小由弹性模量和膜与衬底的热膨胀系数决定。同样地,DLC薄膜的硬度与衬底硬度也影响着DLC薄膜在摩擦力作用时的表现。镀在坚硬的不锈钢表面的DLC薄膜性能必然不同于镀在铝片上的薄膜性能,因为后者较软的衬底可能会由于内界面分层和耐摩性较差,先发生形变。因此,二级的最优化要估定在何处沉积速率和摩擦性能交替作用。这就需要过程变量对DLC 沉积速率和机械性能影响的全面数据,如硬度和弹性模量。

2.实验部分

在射频频率为200kHz的RPF-PECVD反应器中制备DLC薄膜,沉底为20*20*2mm的商业纯铝(纯度为98.9%)。在我们的实验中,使用的是极不对称的电容耦合沉积系统(功率电极小,基板电极很大)。腔体体积为0.014m3,气体manifold with filters,流量控制器和针状真空计用于泵的氩气、甲烷和空气。功率电极和基板电极是由不锈钢做成的。腔体可用简单的旋转式泵抽至1pa以下的真空。由于反应器的不对称性,而且两个电极的大小差异明显,平均的或是测量电压的直流部分可以近似于偏压,由Tektronix 示波器测得。

对样品进行镜面剖光,用丙酮洗净,吹干并称重。然后将其置于功率电极上准备沉积DLC薄膜。首先对样品在真空条件下进行氩离子刻蚀,直到电极温度升至100℃,温度可由装在功率电极上的镍铬合金热电偶测量。电极温度一升至100 ℃,就可以将甲烷通入,开始沉积DLC薄膜了。每次的沉积时间均为一小时。

该RE-PECVD设备可以满足输送30-305pa的甲烷气体,气体流量在0-50sccm之间。然而,初步的实验指出:气压在185pa以上时没有沉积发生,而且在较低的气体流量和气体压强(气体流量〈20sccm,压强〈40pa)时也观察不到气体沉积。因此,本实验的气体压强控制在40-185pa之间,气体流量在25到50sccm之间。最重要的独立变量-功率密度在2.5至18kW/m2之间。

为了估计大多数情况下薄膜的沉积速率(Rm,单位是g/cm2/s或者kg/m2/s),实验对沉积前和沉积后的样品用误差不超过+-0.01mg的数字天平称重。薄膜厚度由生长速率的线性关系估计得出(Rh,单位是um/h或者m/s),薄膜的表面粗糙度由高精度的表面探测仪(Mahr)得到,为了测量厚度,一部分样品在每次沉积时都要做标记。硬度和弹性模量等机械性能可通过美国MTS公司的CSM技术获得。

3.结果与讨论

3.1 沉积速率与线性薄膜生长率

在本文中,一般的DLC薄膜沉积速率(Rm;g/cm2/s)与线性薄膜生长率(Rh;um/h)都作为过程变量的函数来测量。为了研究这两个参数是否有一致的相关性(图1),本实验将这两个参数在不同过程的关系画在一张图里。图1所示Rm与Rh几乎为线性关系,这就意味着DLC薄膜的密度几乎为一个常数(1.83+-0.05g/cm3),因为直线的斜率就代表了薄膜的密度。这个数值与以前的文献报道值相吻合。Lacerda 等人已研究发现恒定的薄膜密度与过程参量无关。鉴于以上的结果,因此,只有线性的薄膜生长率Rh可以用来描述铝片上沉积DLC 的沉积速率。

3.2过程变量对薄膜生长率的影响

图2图解的是过程参量对薄膜线性沉积速率的影响,如:功率密度(W/A,W是输入功率,A是电极的面积),甲烷气体压强,气体流量。充满的标志是甲烷气体流量为50sccm,没有充满的标志是25sccm。图2中的数据可以说明的内容如下:

a.甲烷气体流量从25增加到50sccm,导致薄膜的线性生长速率大幅度增长,当功率密度

最低时除外。

b.在气体流量相同时,甲烷气体气压的增加导致薄膜生长率的边际性增加。

c.当甲烷气体的压强和气体流量一定时,薄膜的生长速率最开始时会随功率密度的增加而

增加,到达最大值后,随功率密度的增大而减小。

d.当气体压强和气体流量最大,功率密度取中间值时,薄膜生长率的最大值(大约

2.2um/h)。

e.与薄膜最大生长率相应的功率密度,在8-10kW/m2的范围内,是一个恒量,与甲烷的压

力和流量没有关系。

Fig.3. (a) Influence of process parameters (power density, gas pressure and flow rate) on hardness of DLC films. (b) Influence of process parameters (power density, gas pressure and flow rate) on elastic modulus of the DLC films.

3.3 过程参量对DLC薄膜的硬度和弹性模量的影响

图3(a)所示的是过程参量(功率密度,气体压力和气体流量)对DLC薄膜的影响。

从图中可以得出以下结论:

a. 改变功率参数,DLC薄膜的硬度可在7-22Gpa之间变化。

b. 功率密度对DLC薄膜的硬度有很大影响。功率密度小于10kW/m2时,薄膜硬度岁功率

密度的增加而急剧增加。当功率密度超过这个值继续增加时,薄膜硬度继续增加或者减少取决于气体的流量。

c. 气体压强对DLC薄膜的硬度几乎没有影响。

d. 气体流量对薄膜硬度的影响很大。功率密度小于10kW/m2,气体流量从50降到25sccm

时,薄膜硬度增加。功率密度较大时,其作用就不稳定了,对比之前提到的功率密的影响。

过程参量对DLC弹性模量的影响与对薄膜硬度的影响一样,如图3(b)。正如对于薄膜的硬度,取决于使用的过程参量,DLC薄膜的弹性模量值可以取到一个很广的范围(50-170GPa)。图3(a)和(b)相同的本质也显示出DLC薄膜的硬度和弹性模量两者是相关的。这部分将在之后部分详细介绍。

3.4 偏压和沉积温度

在3.2和3.3 部分中,我们研究了过程参量(功率密度,气体压力和气体流量)对DLC 薄膜沉积速率和硬度以及弹性模量的影响。为了理解和合理化已有的偏压模型,需要将现在研究的过程参量与决定沉积速率和薄膜组成的基本物理参量联系起来。例如: 偏压的重要参数离子能,很大程度上由气体压力和流量决定的离子流,以及同样由偏压决定的沉积温度。对于以上参量,首要的应该研究偏压和沉积温度与过程参量变化的相关性。

偏压(Vb)随功率密度(W/A)的变化如图4所示。很明显的,虽然偏压强烈的依赖于功率密度,它同时也边际性的依赖于气体压强(P).在气体压力恒定的情况下对比,可以明显发现偏压与气体流量没有关系. 早先的研究者发现由不对称电容耦合射频沉积产生的偏压(Vb)与(W/A)0.5成比例,但这个射频频率比本实验的频率要高很多。为了看以上的哪个适用于本实验,图5(a)(b)分别展示了偏压与(W/A)0.5、[(W/A)/P]0.5的关系。从图中可以看出,偏压与(W/A)0.5的相关性更好。但是,这个相关性也不是完美的,因为气体压力对偏压还是有特殊的作用的。事实上,通过反复实验,证明偏压与参数[(W/A)0.5/P0.25]的相关性最好,如图5(c)所示。不过,我们无法用理论结束偏压与压力的相关性。

图(6)展示的是沉积温度(T)和功率密度(W/A)的线性关系。从图中可以看出沉积温度不受气体压力和流量的影响。而且,由于功率密度与偏压有关(见图5(c)),可以推断沉积温度与Vb2P0.5成比例。这样的关系与之前学者获得的结论相一致,虽然它们的结果是在较高的射频下得到。

3.5 实验现象的解释

3.5.1 过程参数对沉积速率的影响

图7显示了偏压作为相关参数的DLC薄膜的生长速率的数据。当气体流量一定时,薄膜生长率随着偏压的增大而增大,在偏压为300V时到达最大极限值,然后随偏压的升高开始减小。从图上还可以看出,当考虑到偏压时,气体压力对薄膜生长速率的影响可以忽略不计,这样我们就可以总结为之前(图2)观察到的气体压力对薄膜生长速率的影响其实是偏压作用的表现。图7报道的薄膜生长速率随偏压的变化情况同之前的研究者观察到的相似。这个现象可以用离子吸附形成DLC薄膜和离子刻蚀导致薄膜损耗的竞争理论来解释。当偏

压更大时,离子的能量会更大,对薄膜的刻蚀主导了生长,导致随偏压的增大薄膜的生长速率减小。还有一个影响薄膜生长率的重要因素是温度,这是在薄膜生长过程中高能离子轰击薄膜表面造成的。根据Robertson的研究,薄膜的生长率与温度无关,而刻蚀率与温度有关。温度可以减少化学吸附的中性原子在表面停留的时间,使得表面原子从薄膜上解吸附。

从图7上还可以看出,当偏压作为相关参数时,甲烷气体的压力对薄膜的生长率的影响忽略不计。气体压力的增加可以提高反应激活原子的数量,但同时由于增加了碰撞使得离子能量下降。这两个相反的作用导致了气体压力对薄膜生长速率的影响可以忽略不计,正如实验观察到的。

在偏压Vb〉150V时,气体流量对薄膜生长率的影响非常显著,这主要是因为随着气体流量的增加,携带了激活的碳原子数目也增加,于是增加了薄膜的生长速率。然而,当偏压低于150V时,气体流量的改变不能改变薄膜的生长速率,原因尚不清楚。

3.5.2 过程变量对DLC薄膜硬度的影响

图8是DLC薄膜硬度作为偏压的函数而变化的图。从图中可以看出,硬度随Vb增加而显著增加,当Vb值较小时增加更为明显。硬度区间是5-22GPa。这么大的区间主要是因为随着偏压的增加,H、sp2和sp3键成比例的改变。之前的研究学者发现随着偏压的增加,DLC薄膜中H和sp3的含量会不断下降。同时,特别当偏压较大,sp3会高速向sp2转化,这是因为偏压大时沉积温度也很高,而且众所周知的:sp3向sp2转变是热激活反应,发生在温度高于430-570K。观察可知:DLC薄膜的硬度随H含量的减少而显著增加,而且由于sp3含量的减少,这样的增加比抵消了的硬度减少量要多。综合以上信息和观察结果,可以解释为什么随偏压的增加,薄膜的硬度会大幅度增加。

薄膜生长速率和硬度增加或减少一般在偏压超过300V时发生。如图4,偏压在300V 时大约功率密度是9kW/m2,此时的衬底温度为430K。同时,Lifshitz等人发现了在温度高于430K时会生成石墨薄膜。因此,偏压超过300V时薄膜的硬度或生长速率饱和或减少,很有可能是因为热激发的石墨化过程,这与其它研究者的研究结果相近。

从图8还可以发现,气体流量的增加事实上减少了DLC薄膜的硬度,而且更重要的是使与薄膜硬度到达最大值的偏压的相应值增大了。这可能是因为增加的气体流量导致薄膜中的H量很高,因此降低了薄膜的硬度,也使最高硬度相应的偏压值升高。

3.5.3 硬度与弹性模量

DLC薄膜的弹性模量作为偏压函数的变化情况如图9所示。图9最惊人的是偏压、气体流量与压力对弹性模量的影响与图8对薄膜硬度的影响几乎一样。结果可以归结为DLC 薄膜的硬度和弹性模量是有本质联系的。图10将DLC薄膜的硬度和弹性模量作对比,为他们之间的关系提供了依据。虽然由本实验数据可得,H=0.14E,总结已有的文献,发现H/E 存在一个更广发的比例0.1-0.2。

H和E存在这样一个内在联系其实并不奇怪,正如大家所知的H/E的比例广泛的决定于材料的本质,如表2所示。取一个极限时,金属由弹性模量描述,它比金属硬度的值高100倍。然而金刚石的弹性模量仅为硬度的11倍。在另一极限时,聚合物的弹性模量只有硬度的两倍。现在,DLC薄膜作为介于聚合物和金刚石之间的物质,因为当氢含量较高时,它类似于聚合物;而sp3含量较高时,它又接近于金刚石。因此,DLC薄膜的H/E值介于聚合物和金刚石之间。

4.结论

1.DLC薄膜已经在衬底为商业纯铝上,通过调节沉积条件(功率密度、压力和气体流量),对甲烷气体用功率为200kHz的不对称电容耦合辉光放电成功沉积。

2.射频频率为200kHz时,过程变量与薄膜生长速率以及硬度的关系,同其他研究者得到的在高频下得道的关系相似。

3.在本实验中,薄膜生长速率本质上是由偏压和气体流量决定的。另一方面,DLC的硬度和弹性模量主要决定于偏压。

4.本实验获得的DLC薄膜的硬度和弹性模量有着很好的相关性,大约是E=6-7*H。

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/dd1443026.html,/journal/ms https://www.wendangku.net/doc/dd1443026.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/dd1443026.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/dd1443026.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/dd1443026.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/dd1443026.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/dd1443026.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。

类金刚石薄膜改性橡胶 表面摩擦学性能的研究进展

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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

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

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

纳米金刚石薄膜的性能研究

纳米金刚石薄膜的性能研究 摘要:纳米金刚石薄膜的优异性能吸引了众多学者的关注,同时也成为CVD金刚石薄膜研究领域的新热点。它在很多领域都具有极好的应用前景,是我们将来生活中不可或缺的一种薄膜材料。本文简单介绍了纳米金刚石薄膜的一些应用,并主要从光学、力学和电学的角度对其性能做了详细阐述。 关键词:纳米金刚石薄膜性能 Properties of Nanocrystalline Diamond Films Abstract:The excellent properties of nanocrystalline diamond films are of interest for many researchers and have become a new hot point in the development of diamond films prepared by chemical vapor deposition. It has good prospects in many fields, and became an indispensable film material of our lives. The paper introduced briefly the applications of nanocrystalline diamond films, while its properties were described in detail mainly from the optical, mechanical and electrical points. Keywords:nanocrystalline diamond films properties

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

金刚石膜的应用以及制备方法

金刚石膜的应用以及制备方法 ——————微波等离子体CVD制备金刚石膜 前言: 随着对金刚石的深入研究以及广泛应用,对硬质碳素材料有了进一步探索和需求,因此渴望找到一种可以代替金刚石的的材料。自从1971年Aisenberg和Chabot第一次利用碳的离子束沉积技术制备出具有金刚石特征的非晶碳膜以后,全球范围内掀起了制备类金刚石薄膜的浪潮。金刚石膜具有高硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、高稳定性、宽能隙和载流子高迁移率等优异性质和这些优异特性的组合,是一种在传统工业、军事、航天航空和高科技领域具有广泛应用前景的新材料,被称为是继石器时代、青铜器时代、钢铁时代、硅时代以来的第五代新材料,亦被称为是继塑料发明以来在材料科学领域的最伟大的发明。 微波等离子体化学气相沉积金刚石膜(简称:CVD金刚石膜),具有沉积速度快、纯度高、成膜均匀、面积大、结晶好、成本低等优点,是当今国际上制备金刚石膜的最先进方法,亦是金刚石膜制备技术的发展方向。世界上各大金刚石膜制品公司皆主要采用微波等离子体化学气相法制备金刚石膜。 一、金刚石膜在当代社会中的重要作用。 (1)金刚石膜刀具应用 金刚石膜硬度高、热导率高、摩擦系数低、生物相容性好以及这些优异性能的组合,可制成金刚石膜的切削刀具、机芯、密封件、人工关节等。使用金刚石膜工具不仅可以极大提高工具的使用寿命与工效,还可以极大提高加工精度。更重要的是解决了超硬合金、陶瓷材料、碳纤维、玻璃纤维等超难加工材料的切削加工难题,为高、新、精、尖技术和工艺的发展奠定了基础。 (2)金刚石膜光学应用

使用微波等离子体化学气相法沉积金刚石膜于镜头、钟表、仪表等表面,可制造真正的永不磨损镜头和钟表等,并极大提高光学镜头的适用范围和成像质量,适应各种恶劣的环境。美国哈勃望远镜的镜头使用了表面沉积金刚石薄膜技术,以适应外太空的恶劣环境和提高成像质量。 (3)金刚石膜航天应用 金刚石膜具有良好的抗辐照性能,以金刚石膜为基底的电子器件在高空电离辐射、热辐射和宇宙射线的作用下仍能保持良好的工作性能,在航天器中具有重要的应用。使用微波等离子体化学气相法沉积金刚石膜于窗口表面,可以充分利用其高硬度、高热导等特性,制造各种航天器和深海设备的观察窗口。美国发射的金星探测器的观察窗口就使用了金刚石膜技术。 (4)金刚石膜军事应用 用金刚石膜窗口制作各种激光制导、红外制导导弹的头罩,可以极大地提高导弹的飞行速度和命中率。当导弹以10马赫飞行时,温度升到5000℃,此时制导窗口不仅要经受高温的考验,还要经受空气中微尘、水分子和空气分子的高速撞击,使用传统的ZnS、ZnSe 、Ge等材料制成的窗口即已受热变软、变形、打毛甚至变盲,而金刚石膜窗口却能安然无恙。 美国洛克希德导弹和空间公司(Lockheed Missiles and Space Company)采用CVD金刚石膜制造导弹拦截窗口,起到了很好的保护效果,并在单面镀金刚石膜后可增加透过率13%,双面镀膜后增加透过率26%。“AIM-9L Sidewinder”空对空热寻导弹,因为使用了金刚石膜窗口,大大提高了热寻的灵敏度。 (5)金刚石膜热沉应用 金刚石膜系高热导的绝缘体,用作大功率电器件的散热衬底而无需专门的冷却系统,在提高电子设备紧凑度的同时,减轻了重量,提高了电子器件的可靠性,这对于航空航天等高技术领域具有重要意义。美国F16战机的分频电路就使用了CVD金刚石膜衬底。如果卫星上全部使用金刚石膜作为电路的衬底,冷却系统将减少90%的重量,不仅尺寸大大减小,结构紧凑,而且改善了工作环境,增强了电子系统的功能和可靠性,使卫星总重量降低50%以上,发射效率成倍提高。 (6)金刚石膜电子学应用 《美国国家关键技术报告》认为:“电子和光学器件领域将是金刚石膜最终

CVD金刚石薄膜窗口试样制备及力学性能测量

国家自然科学基金资助项目(项目编号50005013) CVD 金刚石薄膜窗口试样制备及力学性能测量 3 200030 上海交通大学机械动力工程学院 晋占峰 孙方宏 简小刚 胡 斌 陈 明 摘 要 本文以氢气和丙酮为原料,采用电子增强热丝C VD 法,在硅片(100)基体上沉积一层金刚石薄膜,并采用光刻法和湿式各向异性刻蚀技术制备出金刚石薄膜自支撑窗口试样。实验结果表明,所制备的金刚石薄膜自支撑窗口刻蚀彻底,形状规则,能够很好地满足鼓泡法的实验要求,对C VD 金刚石薄膜力学性能的测量具有重要意义。 关键词 金刚石薄膜 硅基体 化学刻蚀 鼓泡法ABSTRACT Diam ond thin film is deposited on silicon slice (100),using hydrogen and acetone as gas res ource ,by means of electron -enhanced hot filament chemical vapor deposition (HFC VD ).Free -standing window sam ple of diam ond thin film was fabricated by means of photolithography and anis otropic wet etching.According to the test results ,the window of the sam ple was etched thoroughly and the window figure of the sam ple was regular.S o ,the sam ple is very suitable for bulge test.It is significant for testing of performance of C VD diam ond thin film. KE YWOR DS diam ond film ;silicon substrate ;chemical etching ;bulge test 1 引言 近年来,采用化学气相沉积(C VD )法、等离子化学气相沉积(PC VD )法、火焰燃烧法、物理气相沉积(PVD )法、化学气相输运法、粒子束沉积法以及激光化学气相沉积(LEC VD )法等来制备金刚石薄膜材料的研究已经取得了突破性进展,金刚石薄膜的制备与应用已经成为薄膜材料领域中一个重要的研究方向。金刚石薄膜的制备和实际应用与其力学性能密切相关。对金刚石薄膜的弹性模量、泊松比、残余应力等力学性能的测量在技术上仍然有很大的难度,这直接制约着金刚石薄膜材料的推广应用。在已有的薄膜力学性能测量方法中,只有鼓泡法最有可能发展成为综合评价薄膜材料各项性能的有效方法。鼓泡法是在带有薄膜的试样上制出薄膜窗口,通过测试装置向薄膜施加压力,使薄膜受到均布载荷而产生变形,变形量与薄膜的力学性能有关,通过测量压强和薄膜的变形,得到其中的关系,可以计算出薄膜的力学性能。 鼓泡法测量金刚石薄膜的力学性能的关键技术是金刚石薄膜窗口试样的制备。本文基于鼓泡法的基本原理,研究了金刚石薄膜自支撑窗口试样的制备方法,阐述了鼓泡法测量金刚石薄膜力学性能的方法。采用自行设计的硅片夹持器固定试样,使刻蚀液无法接触到沉积在硅片下表面的金刚石薄膜,因而可以保证在刻蚀硅基体形成自支撑窗口的同时不会损坏到薄膜。 经实验研究表明:所制备的金刚石薄膜自支撑窗口形状规则,刻蚀彻底,残余内应力小,能够很好地满足鼓泡法的实验要求。在此基础上,进一步研究了应用鼓泡法测量金刚石薄膜力学性能的基本原理和实验装置,对于金刚石薄膜的推广应用具有重要意义。2 金刚石薄膜窗口的制备方法 窗口制作过程示意图如图1所示 : 图1 在硅基体上制作金刚石薄膜窗口的过程示意图 实验中我们采用的是2英寸硅片(100),单面抛光,进行高温氧化,在硅片表面生成一层致密的二氧化硅薄膜;用0.5微米的金刚石微粉对硅片抛光面上的二氧化硅层进行研磨除去该二氧化硅层,未抛光的那 ? 3?2002.4(132)

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

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