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.360docs.net/doc/3e6839706.html,
增加反应中碳氢化合含量比(CH 4/(CH 4+H 2)),另一方面也有用气体(Ar ,N 2,He )部分代替氢气来实现。例如法国科学家F.Benedic 等人用Ar/N 2混合气体部分取代氢气制备的较厚的纳米金刚石薄膜用于声表面波器件取得了不错的效果[1]。 原子氢可以优先刻蚀与金刚石共生的石墨相(S p 2)促进金刚石相(S p 3)的生长,这是金刚石薄膜制备中的关键因素。近些年的研究表明氧在一定条件下和氢一样对石墨有优先刻蚀作用[6～8]。研究发现,O 2刻蚀制备的金刚石薄膜质量较好更为平整。本文采用性能优异的MPCVD 技术在Ar/O 2/H 2/CH 4混合气体中制备了纳米金刚石薄膜,并对其进行了表征。
2 实 验
薄膜采用日本SEKI 公司的MPCVD 装置(型号:AX 6350)
制备。系统微波源为美国AS L EK 公司生产,频率为2.45GHz 。把直径为5cm 的镜面抛光硅基底放在直径为5μm 的金刚石粉乙醇混合液体中超声打磨20min ,最后用去离子水洗净后烘干。用电子分析天平称量重量后放在系统真空室中的Mo 基底上。用3.5kW 微波功率在H 2和CH 4混合气体中在硅基底上形核,体积比为110∶1,时间2min 。用5kW 微波功率,在Ar ,H 2,O 2和CH 4混合气氛中,在硅基底上制备金刚石薄膜,流量比为80∶16.7∶0.3∶2。制备结束后保持100乇真空冷却到室温后取出样片。用电子分析天平称量反应后重量,用质量密度方法估算其厚度约为20μm 。 扫描电子显微图片由J EOL 公司J SM -6700F 型扫描电子显微镜测得,其SEM 模态放大率为x100～650000。X 2射线衍射谱由Rigaku 公司的DMAX 2500/PCX 型X 2射线衍射谱仪测得。拉曼光谱由法国J Y 公司的Super 2LabRam 共焦显微显微拉曼光谱仪测得。拉曼谱仪内置的He 2Ne 激光器的632.8nm (1.96eV )激光(激光出射激光强度约为35mW )为激发光源,探测信号是室温下由拉曼谱仪的CCD (己经用液氮冷却到140K )测得。
3 结果与讨论
如图1和图2所示为样片的扫描电镜图片。(图1为样片未喷白金粉扫描电镜图片,图2样片喷白金粉10s 后扫描电镜图片)。由于完美金刚石不导电,所以一般在扫描电镜测试金刚石薄膜表面形貌需喷白金粉。由图2,
我们只能隐约观察到
图1 末喷白金样品的扫描电镜图像
Fig.1 SE M pictu re o f nano 2di am ond s ample w ithout platina thin
film
图2 喷白金后样品的扫描电镜图像
Fig.2 SE M pictu re o f nano 2di am ond
s ample w ith p latina thin film
一些球状突起,这表明较薄的白金薄膜薄覆了金刚石表面颗粒
间的分界情况,这反映出所制备的纳米金刚石薄膜表面非常平整,粗糙度很低。由图1测试结果可知我们所制备的纳米金刚石薄膜有一定的导电特性,这一特性在其他方法制备的纳米金刚石薄膜时也有报道。由图1可见,纳米金刚石薄膜表面颗粒均匀,平均直径20ns 左右。这充分说明,反应过程中由于Ar 的稀释作用,使刻蚀气体的含量比下降,在反应中作用形成了较高浓度的碳的二聚物C 2,从而在薄膜厚度增加的情况下表面颗粒尺寸增加并不多,制备出纳米金刚石膜。 在薄膜的X 射线衍射谱(如图3所示)中,我们可以观察到在2θ等于43.7°和75.3°处有两个强的尖峰,这表明所制备的纳米金刚石膜为典型的立方对称晶体结构。43.7°。和75.3°两处的峰分别为金刚石(111)和(220)向衍射峰。另外,X 射线衍射谱中除了较弱的硅衬底的衍射峰没有观察到任何石墨相。这表明:颗粒直径为20nm 的金刚石薄膜中含有非常高的sp 3键,这使其X 射线衍射谱仍然表现
为晶体金刚石的特征。
图3 样品的X 射线衍射谱
Fig.3 X 2ray di ffraction sp ectra o f s ample
通过对薄膜样品进行显微拉曼测试我们观察到了纳米膜
内在结构的特点(如图4所示)。图4是纳米金刚石薄膜的显微喇曼光谱,激发光为He 2Ne 激光器的632.8nm 红光。多次测量表明大量很细的锐峰为背景噪声峰。2000cm -1以后为样
?
626? 光电子
?激光
2008年 第19卷
品的二阶拉曼峰区域(双声子参与的拉曼散射区)。之前的频区为一阶拉曼区域(散射过程中只有单个声子参与)。对金刚石晶体的特征指认通常是观察一阶区域中1332cm -1处的散射峰是否出现。位于1332cm -1的Raman 峰是单个光学声子在布里渊区中心的散射Raman 模,也是完美金刚石单晶结构唯一允许的一阶拉曼散射。对于微晶CVD 金刚石,由于内在结构和对称性的变化使动量守恒选择定律放宽,使态密度函数最大值附近处的低频声子的散射成为可能。所以,造成微晶金刚石1332cm -1的Raman 峰的减弱、展宽和频移。另外,由于CVD 微晶金刚石中含有很多无序的sp 2和sp 3键,所以选择定则被进一步打破,一阶拉曼谱中出现了G 峰(1560cm -1附近,可见光激发下)和D 峰(1360cm -1附近,可见光激发下)。G 带拉曼谱描述的是平面内C 2C 伸缩模,D 带拉曼谱则是缘于C 2C 原子对在环状结构时的呼吸模[4,10]。另外,由于D 模来源于单声子在布里渊区边界点的散射,可见光激发下,D 模的出现会影响声子在布里渊区中心的散射(1332cm -1附近)。所以可见光激发下D 峰的出会现影响1332cm -1的Raman 峰。纳米金刚石薄膜中无序的sp 2和sp 3含量要高于微晶CVD 金刚石,所以在己有文献报导中,纳米薄膜拉曼光谱与微晶CVD 金刚石相同,1332cm -1拉曼峰会减弱甚至消失,同时G 峰和D 峰出现。我们样品的一阶显微拉曼光谱中,1332cm -1附近微晶金刚石的特征拉曼峰宽化消失,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。我们把
1364cm -1和1538cm -1
峰分别指认为D 峰和G 峰。D 峰和G 峰的出现可以说明虽然样品X 射线衍射谱中没有观察到任何石墨相但是样品中的sp 2含量有所增加。除了D 峰和G 峰,在样品拉曼光谱中还出现了位于1147cm -1的拉曼峰。关于这一拉曼峰的指认目前还存在争议,例如,以前人们一直把它归于纳米晶金刚石或是不定形金刚石,前几年却有研究认为它缘于晶界上的超聚乙炔片段[1]。值得一提的是,不管具体分析结果如何,这一拉曼峰的往往总是作为纳米金刚石出现的标志被报道,
我们的测试结果也证实了这一点。
图4 样品2的微区喇曼光谱,激发光为
H e 2N e 激光器的632.8nm
Fig.4 Micro 2R am an sp ectra o f s ample 2excited
by 632.8nm w avelength H e 2N e laser
4 结 论
以上我们提供了一种制备纳米金刚石薄膜的方法。采用微波等离子体化学气相沉积系统,利用氢气、甲烷、氧气和氩气为前驱气体,在(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。用质量密度方法计算其厚度为20μm ;扫描电镜,X 射线衍射谱和喇曼光谱的测试分析结果表明该薄膜为20nm 粒度分布均匀的的纳米金刚石薄膜,具有较高含量的sp 3键。
参考文献:
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作者简介:
杨保和 天津理工大学教授,主要研究方向为光电薄膜器件1
?
726?第5期 杨保和等:纳米金刚石薄膜的制备
纳米金刚石的提纯工艺已经非常的成熟
1. 前言 自从1982年前苏联科学家采用爆轰法合成纳米金刚石以来，由于纳米超细金刚石(Ultra-fine Diamond,简称UFD)具有其他纳米固体粒子所不具备的高硬度﹑高的导热性﹑高的耐磨性﹑极佳的化学稳定性，所以纳米金刚石方面的研究一直是当前的研究热点。 目前对纳米金刚石的提纯工艺已经非常的成熟，通过液相氧化法和气相氧化法的纯化处理可以得到纯度超过95%以上的超细金刚石粉[1-2]。但在实际应用中并没有得到大量的应用，这主要是因为纳米金刚石具有很高的比表面能，处于一种热力学不稳定状态，在爆轰金刚石的合成和后处理的过程中都容易形成团聚体。在制备悬浮液体系中，纳米金刚石的团聚也很严重，会发生明显的絮凝和沉降。所以纳米金刚石的解团聚及其在不同介质中的分散是一个技术的瓶颈。 对于这一技术难题，国内外的很多研究人员做了大量的工作，得出了非常有益的经验。本文将从纳米金刚石悬浮液的分散原理和制备方法两个方面进行综述。 2. 悬浮液的分散原理 超细粉体在液相中的分散包括三个阶段：1颗粒在液相中的润湿过程；2团聚体在外力的作用下被打散，形成单个的小颗粒或很小的团聚体的过程；3单个颗粒或小团聚体的分散稳定，防止再次的团聚沉降。 悬浮液颗粒分散的两个基本原则[3]： 1润湿原则就是颗粒必须被液体介质润湿，从而能很好的浸没在液体介质中。选择分散介质的基本原则是粉体颗粒易于在非极性分散介质中分散，极性粉体颗粒易于在极性分散介质中分散，即所谓的极性相同原则。 Voznyakovskii A P等[4]认为介质的极性对纳米金刚石颗粒的悬浮的稳定性和介质中的粒度分布都有很大的影响，在不同的介质中，如果介质的极性越小，则悬浮液中的颗粒的分散性就越差。同时，在介质的调整组时，向较小极性的介质中添加较大极性的物质，将有利于纳米金刚石在介质中的稳定分散 2表面张力原则就是颗粒之间的总表面力必须是一个较大的正值，从而使颗粒之间的相互排斥力足够强从而防止颗粒相互接触而团聚沉降。 3. 纳米金刚石的分散技术 爆轰的纳米金刚石的化学成分除了碳，还包含大量的其他原子，一般纳米金刚石的组成元素主要有85%左右的碳﹑10%左右的氧﹑1%左右的氢﹑2%左右的氮以及其他元素，而金刚石表面的官能团主要为羧
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.360docs.net/doc/3e6839706.html,
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
纳米薄膜材料的制备方法
纳米薄膜材料的制备方法 摘要纳米薄膜材料是一种新型材料,由于其特殊的结构特点,使其作为功能材料和结构材料都具有良好的发展前景。本文综述了近几年来国内外对纳米薄膜材料研究的最新进展,包括对该类材料的制备方法、微结构、电、磁、光特性以及力学性能的最新研究成果。关键词纳米薄膜;薄膜制备; 微结构;性能 21 世纪,由于信息、生物技术、能源、环境、国防 等工业的快速发展, 对材料性能提出更新更高的要求,元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小,航空航天、新型军事装备及先进制造技术使材料的性能趋于极端化。因此, 新材料的研究和创新必然是未来的科学研究的重要课题和发展基础,其中由于纳米材料的特殊的物理和化学性能, 以及 由此产生的特殊的应用价值, 必将使其成为科学研究的热点[1]。 事实上, 纳米材料并非新奇之物, 早在1000 多年以前, 我国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成碳黑作为墨的原料, 可能就是最早的纳 米颗粒材料;我国古代铜镜表面的防锈层, 经验证为一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜,这大概是最早的纳米薄膜材料。人类有意识的开展纳米材料的研究开始于大约50 年代,西德的Kanzig 观察到了BaTiO3 中的极性微区,尺寸在10~ 100纳米之间。苏联的G. A. Smolensky假设复合钙钛矿铁电体中的介电弥散是由于存Kanzig微区导致成分布不均匀引起的。60 年代日本的Ryogo Kubo在金属超微粒子理论中发现由于金属粒子的电子能级不连续,在低温下, 即当费米
能级附近的平均能级间隔> kT 时, 金属粒子显示出与块状物质不同的热性质[ 4]。西德的H. Gleiter 对纳米固体的制备、结构和性能进行了细致地研究[ 5]。随着技术水平的不断提高和分析测试技术手段的不断进步, 人类逐渐研制出了纳米碳管, 纳米颗粒,纳米晶体, 纳米薄膜等新材料, 这些纳米材料有一般的晶体和非晶体材料不具备的优良特性, 它的出现使凝聚态物理理论面临新的挑战。80 年代末有人利用粒度为1~ 15nm 的超微颗粒制造了纳米级固体材料。纳米材料由于其体积和单位质量的表面积与固体材料的差别,达到一定的极限, 使颗粒呈现出特殊的表面效应和体积效应,这些因素都决定着颗粒的最终的物理化学性能,如随着比表面积的显著增大,会使纳米粒子的表面极其活泼,呈现出不稳定状态,当其暴露于空气中时,瞬间就被氧化。此外, 纳米粒子还会出现特殊的电、光、磁学性能和超常的力学性能。 纳米薄膜的分类 纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质, 目前可以分为两类: ( 1)含有纳米颗粒与原子团簇基质薄膜; ( 2) 纳米尺寸厚度的薄膜, 其厚度接近电子自由程和Denye 长度, 可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。例如, 镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调制掺杂效应, 该结构相当于大原子超原子膜材料具有三维特征; 纳米厚度的信息存贮薄膜具有超高密度功能, 这类集成器件具有惊人的信息处理能力; 纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构, 导致磁性材料的饱和磁化强度的减小或增强。对这
纳米多晶金刚石的制备合成研究
２０１０年０４月第２期第３０卷第１７６期 金刚石与磨料磨具工程 Ｄｉａｍｏｎｄ＆ＡｂｒａｓｉｖｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｒ．２０ｔ０ Ｎｏ．２Ｖ０１．３０Ｓｅｒｉａｌ．１７６ 文章编号：１００６—８５２Ｘ（２０１０）０２—００７５一０４ 纳米多晶金刚石的制备合成研究’ 邹文俊王小品彭进位星韩平赵盟月 （河南工业大学材料科学与工程学院，郑州４５０００７） 摘要本文采用纳米金刚石粉作为原料，铁基（或镍基）金属粉做烧结助剂，利用超高压六面顶压机，在高温高压条件下进行了纳米多晶金刚石的刺备实验。研究了铁基（或镍基）金属粉与纳米金刚石粉体系再生长烧结的温度压力条件，并通过ＳＥＭ、ＸＲＤ等测试手段对多晶金刚石样品进行了微观形貌和内部成分分析。研究结果表明：合成的多晶尺寸不仅与触媒的种类有关，而且与触媒的粒度粗细也有关系；在６ＧＰａ、ｌ１００℃、合成时间６０Ｓ的条件下，制备的纳米多晶金刚石材料比较均匀致密，金刚石之间以Ｄ—Ｄ键结合为主。 关键词纳米金刚石；多晶体；高温高压；触媒金属 中图分类号ＴＱｌ６４文献标识码ＡＤＯＩ编码１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５２Ｘ．２０１０．０２．０１７ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｎａｎｏ—ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａＵｉｎｅｄｉａｍｏｎｄ ＺｏｕＷｅｎｊｕｎＷａｎｇＸｉａｏｐｉｎＰｅｎｇＪｉｎＷｅｉＸｉｎｇ ＨａｎＰｉｎｇＺｈａｏＭｅｎｇｙｕｅ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００７，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃｔＵｓｉｎｇｎａｎｏ－ｄｉａｍｏｎｄｐｏｗｄｅｒａｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌａｎｄＦｅ－ｂａｓｅｄ（ｏｒＮｉ—ｂａｓｅｄ）ｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒａＬｓｓｉｎｔｅｒｉｎｇａｇｅｎｔ，ｎａｎｏ—ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄＷａｓｐｒｅｐａｒｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎａｕｌｔｒａ—ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｃｕｂｉｃｐｒｅｓｓ．Ｔｈｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｎａｎｏ—ｄｉａｍｏｎｄａｎｄＦｅ—ｂａｓｅｄ（ｏｒＮｉ－ｂａｓｅｄ）ｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎａｎｏ－ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ａｎｄＸ—ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｉｚｅｏｆｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄＷａｓｎｏｔｏｎｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｋｉｎｄｏｆｃａｔａｌｙｓｔ，ｂｕｔａｌｓｏｔｏｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｆｃａｔａｌｙｓｔ．Ｎａｎｏ—ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒｅｄａｔ６ＧＰａ，１１００℃ａｎｄ６０Ｓｗａｓｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｃｏｍｐａｃｔ．ＳＥＭｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｏｂｔａｉｎｅｄｄｉａｍｏｎｄＷａｓｃｏｍｂｉｎｅｄｂｙＤ—Ｄｂｏｎｄｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｎｏ—ｄｉａｍｏｎｄ；ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ；ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｈｉ【ｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃａｔａｌｙｓｔｍｅｔａｌ ㈣言藻：篇盖盏罢怒姜雯嚣器嘉龛自然界中有两种多晶金刚石，一种是黑金刚石呈放射状的连生集合体。与单晶金刚石相比，这些多 ?基金项日：河南省高校超硬材料工程技术研究中心专项基金 万方数据
化学气相沉积法制备超纳米金刚石薄膜_王玉乾
化学气相沉积法制备超纳米金刚石薄膜＊ 王玉乾1,王 兵1,孟祥钦1,甘孔银2 (1 西南科技大学材料学院,绵阳621010;2 中国工程物理研究院应用电子学研究所,绵阳621900) 摘要 采用微波等离子体化学气相沉积法,利用CH 4、SiO 2和A r 的混合气体在单晶硅片基底上制备出高质 量的超纳米金刚石薄膜。表征结果显示,制备的薄膜致密而均匀,晶粒平均尺寸约7.47nm ,表面粗糙度约15.72nm ,并且其金刚石相的物相纯度相对较高,是质量优异的超纳米金刚石薄膜材料。 关键词 微波等离子体 化学气相沉积 超纳米金刚石薄膜 中图分类号:0484 文献标识码:A Preparation of Ultrananocrystalline Diamond Film by Chemical Vapor Deposition WANG Yuqian 1 ,WANG Bing 1 ,M ENG Xiangqin 1 ,G AN Kongyin 2 (1 Schoo l o f M aterials Science and Engineering ,So uthw est U niver sity o f Scie nce and T echno lo gy ,M iany ang 621010; 2 Institute of A pplied Electro nics ,CAEP ,M ia ny ang 621900) Abstract High -quality ultrananocry stalline diamo nd film is prepa red o n single cry stal Si with A r ,CH 4,CO 2u -sing micro wav e plasma chemical vapo r depositio n (M PCV D )technolo gy .T he results show tha t the high -quality thin film is compact a nd ho moge neous ,and its av erage cr ystalline g rains and surface ro ug hne ss are nearly 7.47nm and 15.72nm ,respective ly .A nd the film aslo has a higher diamo nd phase purity .Key words microw ave plasma ,CV D ,ultrananocry stalline diamo nd film ＊国家自然科学基金(10876032);国家863计划强辐射重点实验室基金(20070202) 王玉乾:男,1983年生,硕士生,研究方向:功能薄膜材料 E -mail :wangy uqian83@163.co m 王兵:通讯作者,1967年生,博士,副 研究员,研究方向:功能材料 E -mail :w ang bin67@https://www.360docs.net/doc/3e6839706.html, 0 引言 近年来,在纳米金刚石薄膜研究领域出现的一个新概念越来越引起人们的注意———超纳米金刚石薄膜,它是为了区别粒径尺寸在几十到几百纳米之间的纳米金刚石薄膜而提出的一个全新概念。首先它的粒径尺寸一般在3～10nm ,且晶粒大小不受薄膜厚度的影响(纳米金刚石薄膜的粒径一般随着薄膜厚度的增加而增大,当薄膜厚度达到1μm 左右时,变成微米金刚石薄膜);另外它的制备工艺条件也不同于一般纳米金刚石薄膜,是由Ar 、H e 等稀有气体与碳源在一种 少氢的环境中通过各种工艺制备而获得的[1-6] ;而且超纳米金刚石薄膜除了具备微米和纳米金刚石薄膜所具有的优异的物理化学性能外,还具有更优异的表面性能(如低的表面粗糙度、摩擦系数和粘附性能等),同时还具有优异的电学性 能(如场发射性能等)[2-6] 。 相比于国外对超纳米金刚石研究的逐渐深入,国内对此方面的研究则相对较少[6],对于超纳米金刚石薄膜的制备,特别是利用微波等离子化学气相沉积法制备超纳米金刚石薄膜的研究国内还未见报道。因此,本实验详细探讨了利用微波等离子体化学气相沉积法制备高质量的超纳米金刚石薄膜的过程,并利用扫描电镜(SEM )、原子力显微镜(AFM )及拉曼光谱(Ram an )对制备的薄膜进行了相关的表征。 1 实验 1.1 实验装置 在自行研制的石英钟罩式M PCVD 装置上制备超纳米 金刚石薄膜,其主要结构如图1所示,微波频率2.45GH z ,额定功率1.5kW ,采用红外测温仪测量样品温度。 图1 石英钟罩式MPCVD 装置的结构简图Fig .1 S tru ct ural sketch of bell jar -typ e MPCVD setup 1.2 实验工艺 要制备高质量的超纳米金刚石薄膜,必须在沉积初期具有很高且均匀的成核密度[7]。为此实验采用对10m m ×10mm 镜面抛光的n 型Si (100)单晶基片两步机械研磨预处理方法来增强成核:先用粒度为0.5μm 的金刚石微粉对基片 · 54·材料导报:研究篇 2009年7月(下)第23卷第7期
爆轰法制备纳米超微金刚石
2014年第2期甘肃石油和化工2014年6月爆轰法制备纳米超微金刚石的最新进展 刘世杰 （甘肃兰金民用爆炸高新技术公司，甘肃兰州730020） 摘要：近年来，纳米金刚石性质的研究和功能开发利用已经成为热门，但由于我国在该领域的 研发起步晚、条件差等客观因素的存在，虽取得了一些成绩，但是与其它国家相比，依然整体处 于落后水平。本文主要综述了爆轰法合成纳米超微金刚石的发展历程、制备方法、工艺条件、发 展趋势并对存在的一些问题提出了建议。 关键词：炸药；爆轰；纳米金刚石；石墨；发展前景 1前言 纳米超微金刚石（Ultrafine Diamond，缩写为UFD）是一种颗粒尺寸和形状特异的工业金刚石，这类金刚石的颗粒尺寸在0.5-10.0nm之间，平均尺寸为4-5nm，大部分颗粒尺寸在2-8nm之间［1］。UFD既有金刚石的特性，又具有纳米材料的特性，因此它的应用领域极其广泛。目前，人们对纳米材料的研究已经渗透到许多研究领域。纳米结构材料的研究已成为跨世纪材料学的研究热点，这种材料被誉为“21世纪最有前途的功能材料”。通过结合应用需求进行金刚石颗粒与形貌的再加工、表面官能化，实现颗粒在应用介质中的均匀与稳定分散，是金刚石纳米晶的应用基础。在这个基础上开展研究，有利于发挥金刚石粉体的优良性能，并推动这种粉体材料在高端技术领域的应用。纳米金刚石在高强、耐磨纳米复合材料，高精密研磨抛光，纳米流体，纳米润滑和生物医药等领域都有较好的表现。它的制备技术有石墨高压相变法、等离子体化学气相沉积法［2］、冲击波压缩技术、催化热解法、静态高压高温合成法、动态超高压高温合成法、低压气象沉淀法以及20世纪80年代新出现的炸药爆炸法。 2爆轰法制备纳米超微金刚石 2.1爆轰法制备纳米超微金刚石 爆轰合成纳米金刚石通常采用梯恩梯（ＴＮＴ）和黑索金（ＲＤＸ）炸药为原料，并在１个充有惰性介质的密闭容器中进行爆轰反应，使未被氧化的自由碳原子在瞬时超高温高压作用下转变为纳米金刚石。陈鹏万等［3］采用注装ＴＮＴ／ＲＤＸ（５０／５０）混合装药，爆炸前在爆炸容器中充惰性保护气体或者在药柱外包裹有保压和吸热作用的水、冰或热分解盐类，收集爆炸后得到的黑粉，用强氧化剂除去其中的石墨、无定型碳等非金刚石相杂质，清洗、烘干后便可得到浅灰色纳米金刚石粉末（ＵＦＤ）。利用爆炸法制备的超细金刚石采用浓硝酸和浓硫酸混合液的沸腾处理及氢氟酸水浴处理后，除了残留极少量无定形碳外，基本除去了超细金刚石以外的杂质。 2.2爆轰法制备纳米金刚石合成机理 纳米金刚石生成机理的探讨随着纳米金刚石的生产研究同时进行。周刚博士提出了“碳液滴”模型，认为碳元素在爆轰环境中被还原成碳原子，未被氧化的部分经过聚集、晶化等形成金刚石［4］；李世才提出了纳米金刚石的尺寸由爆温限制［5］；陈权博士提出爆轰产物中石墨要在爆轰反应区中和 收稿日期：2014-06-20 作者简介：刘世杰（1986-），男，甘肃白银人，助理工程师，现从事高能气体压裂技术服务及爆破工作。
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
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
纳米薄膜材料
题目：纳米薄膜材料 姓名：王鹏飞 学号： 201006050012 系别：化学系 专业：化学工程与工艺 年级班级： 2010级1班 2013年 6月24日
纳米薄膜材料 摘要：纳米薄膜材料是一种新型材料，由于其特殊的结构特点，时期作为功能材料和结构材料都具有良好的发展前景。本文综述了近几年来国内外纳米薄膜材料研究的最新进展，包括对该类材料的制备方法、及其应用领域。 关键词：纳米薄膜；薄膜制备；性能 1.引言 21世纪，由于信息、生物技术、能源、环境、国防等工业的快速发展，对材料性能提出更新更高的要求，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小，航空航天、新型军事装备及先进制造技术使材料的性能趋于极端化。因此，新材料的研究和创新必然是未来的科学研究的重要课题和发展基础，其中由于纳米材料的特殊的物理和化学性能，以及由此产生的特殊的应用价值，必将使其成为科学研究的热点[1]。 事实上，纳米材料并非新奇之物，早在 1000 多年以前，我国古代利用蜡烛燃烧的烟雾制成碳黑作为墨的原料，可能就是最早的纳米颗粒材料；我国古代铜镜表面的防锈层，经验证为一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜，这大概是最早的纳米薄膜材料。人类有意识的开展纳米材料的研究开始于大约50年代，西德的 Kanzig 观察到了 BaTiO3 中的极性微区，尺寸在 10~100 纳米之间[2]。苏联的 G. A. Smolensky 假设复合钙钛矿铁电体中的介电弥散是由于存在 Kanzig 微区导致成分布不均匀引起的[3]。60 年代日本的Ryogo Kubo 在金属超微粒子理论中发现由于金属粒子的电子能级不连续，在低温下，即当费米能级附近的平均能级间隔δ﹥kT 时，金属粒子显示出与块状物质不同的热性质[4]。西德的 H. Gleiter 对纳米固体的制备、结构和性能进行了细致地研究[5]。 随着技术水平的不断提高和分析测试技术手段的不断进步，人类逐渐研制出了纳米碳管，纳米颗粒，纳米晶体，纳米薄膜等新材料，这些纳米材料有一般的晶体和非晶体材料不具备的优良特性，它的出现使凝聚态物理理论面临新的挑战。80 年代末有人利用粒度为 1~15nm 的超微颗粒制造了纳米级固体材料。
纳米金刚石镀膜
纳米金刚石镀膜百科名片 纳米金刚石镀膜，是一种源于太空技术的镀膜技术。该技术生产的纳米级非晶金刚石薄膜最薄可以达到2纳米，金刚石结构SP3的含量超过80％。这样的薄膜具有天然金刚石的许多优异特性：它生成的薄膜具有超硬、耐磨、高绝缘、高导热率、摩擦系数低、膜层均匀、致密度高、耐腐蚀和附着力高等特点，薄膜还具有无色透明，对材质的光学特性基本不产生影响。 纳米金刚石镀膜的发展及应用 太空技术基于金刚石诸多优异的力、热、光、电等性质，优良的化学惰性，以及很好的热稳定性等，在机械、光学、电子学及声学等领域都有着广阔的应用前景，但是由于其数量稀少且价格昂贵，早期在现实中的应用是十分有限的。 上个世纪80年代初苏联的Spitsyn 和日本的Matsumoto 等人发明了低压气相合成金刚石膜技术，用该种方法制备的金刚石薄膜，其性能接近天然金刚石（钻石），因而金刚石薄膜一经问世就迅速达到商业化应用的水平，从而在世界范围内掀起了研究金刚石薄膜的热潮。 经过20 多年的研究，金刚石薄膜在机械加工领域已经获得成功应用，尤其是在切削领域，如使用金刚石薄膜后的刀具可显著延长使用寿命。
随着光学玻璃抛光工艺不断向前发展，对抛光材料的选取有了新的要求，纳米金刚石具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数等优点，具备良好的磨削性能因而金刚石薄膜又被逐渐应用于精细抛光等领域，最早被应用于金属上。 近年来，该技术被发掘应用于饰品领域，对钻石离子进行迁移和融合，在顶级切磨工艺的优质立方氧化锆表面覆上一层纳米级钻石涂层，使之呈现出天然钻石般的璀璨光彩和硬度，生产出高品质八心八箭的优质混合型钻石，价格却远远低于天然钻石，而99%经验丰富的珠宝商都无法用肉眼分辨出这种钻石与天然钻石。在这项尖端的引领下，以宝施奥钻为代表的新型钻石正在掀起一场钻石界的革命。 纳米金刚石镀膜的特性 1、高硬度，国内国际的多项测定表明，纳米压入仪测定的硬度达到80GPa （HV8000）,经由纳米金刚石镀膜的工具及产品，硬度远远大于未经镀膜的；
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
微波CVD法低温制备纳米金刚石薄膜_满卫东
第28卷第4期 武 汉 化 工 学 院 学 报 V ol.28 N o.42006年07月 J . W uhan Inst. Chem. Tech. Jul. 2006 文章编号:10044736(2006)04005705 微波CV D 法低温制备纳米金刚石薄膜 满卫东 1,2 ,汪建华1,王传新 1,2 ,马志斌1,王升高1,熊礼威 1 (1.武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北省等离子体化学与新材料重点实验室, 湖北武汉430074;2.中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031) 摘 要:利用甲醇和氢气的混合气体,用微波等离子体CV D 方法在480℃下成功地在硅片表面制备出纳米金刚石薄膜,本文研究了甲醇浓度和沉积温度对金刚石膜形貌的影响.通过Raman 光谱、原子力显微镜及扫描隧道显微镜对样品的晶粒尺寸及质量进行了表征.研究结果表明:通过提高甲醇浓度和降低沉积温度可以在直径为50mm 的硅片表面沉积高质量的纳米金刚石薄膜,晶粒尺寸大约为10～20nm,并对低温下沉积高质量的纳米金刚石薄膜的机理进行了讨论.关键词:纳米金刚石;微波;化学气相沉积;甲醇中图分类号:O 484.1 文献标识码:A 收稿日期:20050523 基金项目:湖北省科技厅攻关计划项目(2002A A 105A 02) 作者简介:满卫东(1970),男,上海人,讲师,博士研究生.研究方向:微波法制备高品质金刚石膜的研究. 0 引 言 与其它材料相比,金刚石具有很多优异性质:所有材料中,金刚石的硬度最高,室温下热导率、声传播速度最高;耐磨性高,摩擦系数低;既是电的绝缘体,又是热的良导体,掺杂后可成为卓越的P 型或N 型半导体,禁带宽度宽,空穴迁移速率高 并有最宽的透过波段(0.225μm 至远红外)等[1] . 通常的化学气相沉积生长出的金刚石膜(简称 CVD 金刚石)是由微米级(几微米到几十微米)柱状多晶组成,表面粗糙,后续加工和进一步实用化难度很大.降低晶粒尺寸至纳米量级的金刚石,除了具有普通微米级金刚石膜的性质外,还会表现出一些新的优异性能,如高光洁度、高韧性,低场发射电压等,是一种具有广阔应用前景的新型材料 [2,3] . 用CV D 方法制备纳米金刚石薄膜(Nanocrystaline diamond,简称N CD),主要是提高金刚石的二次形核同时抑制晶粒的长大,为此研究人员进行了大量的研究:T.Sharda 等人研究了用偏压技术制备纳米金刚石薄膜[4];V.I .Konov 等人在CH 4/H 2/Ar 体系中通过提高CH 4的浓度来降低金刚石的晶粒尺寸 [5] ;一些研究人员通过 使用不同反应气体种类来制备纳米金刚石薄膜如 H 2/CCl 4[6]、C H 4/H 2/O 2[7]、N 2/CH 4/Ar [8] 等.在这 些方法中,沉积纳米金刚石薄膜的温度一般都为600～800℃,如果能在较低的温度下制备纳米金 刚石薄膜,同时能保持金刚石膜具有较高的质量,那么可以在更多的低熔点材料表面沉积纳米金刚石薄膜.本文利用甲醇/氢气的混合气体,成功的用微波等离子体CVD(Microwave plasma CV D, 简称M PCVD )方法在480℃的温度下制备出质量较高的纳米金刚石薄膜,并对薄膜进行了表征. 1 实验部分 实验中使用的装置是实验室自行研制的2.45GHz 、5kW 的M PCV D,其结构如图1所示. 图1 微波等离子体CV D 装置结构示意图Fig.1 Schematic diag ram of the micro wave plasma enhanced CV D sy stem
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