类金刚石薄膜制备和应用
金刚石薄膜的性质_制备及应用
确保生成的是金刚石而不是无定形碳 。 热丝 CVD(HFCVD)[ 4] (见图 5a)的真空腔是由
一台旋转式机械泵维持的 , 其间各种反应气体混合 时需严格控制(通常总流量为几百毫升每分钟 , SCCM)。反应腔压力通常为 2 .67 kPa ～ 4 .00 kPa , 同时 基片台加热器将基片温度升至 700 ℃～ 900 ℃。 在 基片台的加热器上放一片 Si 或 Mo , 热丝在距离基 片几 个 毫米 上 的 地方 。 热 丝通 电 使 之温 度 达 到 2 200 ℃。制成 热丝的金属要能够承受这样的 高温 且不能明显与反应气体反应 , 热丝材料通常为钨和 钽 , 尽管它们最终也与含碳气体反应被碳化生成金 属碳化物 。 这一变化使得它们变脆 , 缩短了它们的 使用寿命 , 因而它 们最多只能使用 一个沉积周期 。 HFCVD 相对较便宜 , 且容易操作 , 能以约 1 μm·h-1 ～ 10μm·h -1 的速率沉积质量比较高的多晶金刚石 。 然而 ,HFCVD 也面临一些严重问题 。 如 , 热 丝对氧 化性和腐蚀性气体极为敏感 , 这样限制了可用来参 与反应的气体的种类 ;又因为热丝是金属材料 , 不可 避免地会污染金刚石膜 。 如果金刚石薄膜仅仅用于 机械领域 , 10-5级的金属不纯物并不是严重问题 , 但 若应用于电子领域 , 这种不纯是无法接受的 。 而且 , 由于是靠热激发 , 使得等离子体密度不高 , 这也限制 了通过施加偏压以提高生长速率和金刚石膜的取向
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。
金刚石薄膜的特性及应用
7.声传播速度快, 是优良的传声材料。日 本的索尼公司已成批出售用金刚石薄膜 制造的频率达40000Hz的高保真度扬声 器。
8. 化学性能稳定, 耐腐蚀性能好。利用 该特性, 可制做核反应堆的内壁和航天器 的涂层, 还可以用作太阳能电池的减反射 膜和耐腐蚀涂层。
9.有良好的生物学性能。成都科技大学 在钦合金基体上镀金刚石薄膜制做人工 心脏瓣膜, 经测定: (1)抗凝血能力优于钦合金基体； (2)表面张力为5.4×10-2N/m, 与低温各 向同性碳接近; (3)溶血率为 3.7%, 符合标堆要求（标准 <5%)。
五、目前需要解决的问题
１.提高膜的质量和成核密度 由于制膜条件控制不当, 膜的结构成分往 往会包括金刚石相, 石墨相和碳的聚合物相, 此外还有空洞, 人们把这种膜称之为类金刚 石膜（DLC膜）。DLC膜虽然类似金刚石 膜,但毕竟比金刚石膜差, 在DLC膜中, C的 四重配位 SP３和三重配位SP2的比例对膜 的结构和性质的影响很大。一般来说, 四重 配位越多, 膜的性质越接近于金刚石。
目录
• 一、引言 • 二、金刚石薄膜的性能及其应 用 • 三、金刚石薄膜的合成方法 • 四、金刚石薄膜的分析和表征 • 五、目前需要解决的问题
三、金刚石薄膜的合成方法
1.低压化学气相沉积法（CVD法） ２.物理气相沉积法（PVD法） ３.化学气相翰运法（ＣＶＴ法）
1.低压化学气相沉积法（CVD法）
该法生长金刚石薄膜所用的原料除氢气外, 碳源多用CH4及其它碳氢化合物, 如C2H2、 C2H6、C2H8等, 用甲醇、乙醇和三甲胺等有 机化合物为原料也能生长出金刚石型薄膜 ①热丝CVD法 ②等离子体增强化学气相沉积法（PCVD )
热丝CVD法
基本原理是含碳气相组分在高温下分解 离化后沉积在基体上形成金刚石膜。 热丝CVD装置如图所示, 主要由真空反 应室, 抽真空系统, 进气控制系统和 基板加热系统组成。真空反应室是 由石英管制做的, 反应室内有热灯丝, 样品支架和测温热电偶等, 样品支架 可以转动, 抽真空系统由机械泵和 真空计组成。碳源气体和氢气按一定比 例混合后进人反应室, 其流量用质量 流量计控制, 碳源气体浓度一般<= 5%(体积比)。 。
我国类金刚石薄膜主要制备技术及研究现状
我国类金刚石薄膜主要制备技术及研究现状摘要类金刚石薄膜具有优良的光学、机械和电特性在军事领域有广泛用途，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℃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。
由于类金刚石结构、性能存在一些缺陷，所以对此作了研究。
本文着重对类金刚石薄膜制备技术进行阐述，同时论述了发展潜力。
由于类金刚石薄膜的优越性，所以我国要加大这方面发展。
关键词：类金刚石薄膜，化学气相沉积法，物理沉积法，金刚石The Main Preparation Techniques and Research Status of theDLC Film in ChinaABSTRACTDLC films with excellent optical, mechanical and electrical characteristics ha ve a wide range of applications in the military field. DLC thin film technology, refers to the use of a variety of optical thin film production technology made close to the natural diamond and synthetic single crystal diamond characteristics (such as with high light transmittance in the wide spectrum-in the range of 2~15μm (microns) low absorption of light to 1%; has high hardness and good thermal conductivity, corrosion resistance and high chemical stability -1000°C (degrees Celsius) above maintained its chemical stability, etc.), artificial polycrystalline diamond films DLC films (also known as the hard carbon film,ion carbon film ,or a transparent carbon film), a technology. DLC structure, the performance has some shortcomings,have been investigated. Focus on the DLC film preparation technique is described,and discusses the potential for development. Because of the superiority the DLC films, so china should step up development in this field.KEY WORDS: DLC film，preparation techniques，CVD目录前言 (1)第1章类金刚石薄膜概述 (2)1.1 类金刚石薄膜介绍 (2)1.1.1类金刚石薄膜发展介绍 (3)1.1.2类金刚石薄膜微观结构与其性质 (3)1.1.3类金刚石薄膜分类 (5)第2章类金刚石薄膜制备技术 (6)2.1 化学气相沉积法 (6)2.1.1 热丝CVD法 (6)2.1.2 等离子体CVD法 (7)2.1.3 离子束蒸镀法 (7)2.1.4 光、激光CVD法 (7)2.2 激光法制备DLC膜的发展趋势 (8)2.2.1 激光脉冲宽度由纳秒脉冲向超短脉冲发展 (9)2.2.2 沉积环境由真空向氢气氛或氧气氛发展 (10)2.2.3 薄膜成分由纯DLC膜向掺杂DLC膜发展 (11)2.2.4 激光源由单一激光向多束激光发展 (11)第3章类金刚石薄膜研究 (12)3.1 实验研究 (12)3.1.1 实验装置 (13)3.1.2 实验过程 (15)3.1.3 实验结论 (15)第4章类金刚石薄膜应用以及展望 (16)4.1 类金刚石薄膜应用 (16)4.2 类金刚石薄膜应用展望.................... 1错误！未定义书签。
类金刚石薄膜的性能与应用
学科前沿知识讲座论文之五兆芳芳创作类金刚石薄膜的性能与应用摘要：类金刚石膜(Diamond-likeCarbon)简称DLC，是一类性质类似于金刚石如具有高硬度、高电阻率、耐腐化、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.作为功效薄膜和庇护薄膜，其普遍应用于机械、电子、光学、医学、航天等领域中.类金刚石膜制备办法比较复杂，易实现产业化，具有普遍的应用前景.关头词：超硬资料类金刚石薄膜制备气象沉积概略工程技巧引言磨损是工程界资料功效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”来暗示.然而，磨损是产生于机械设备零部件概略的资料流失进程，虽然不成避免，但若采纳得力措施，可以提高机件的耐磨性.资料概略工程主要是利用各类概略改性技巧，付与基体资料自己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、良好的化学及低温稳定性、理想的综合机械性能及优异的摩擦学性能，从而使零部件概略体系在技巧指标、可靠性、寿命和经济性等方面取得最佳效果.硬质薄膜涂层因能削减工件的摩擦和磨损，有效提高概略硬度、韧性、耐磨性和低温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命，而普遍应用于机械制造、汽车产业、纺织产业、地质钻探、模具产业、航空航天等领域.一、超硬薄膜资料随着资料科学和现代涂层技巧的成长，应用超硬资料涂层技巧改良零部件概略的机械性能和摩擦学性能是21世纪概略工程领域重要的研究标的目的之一.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，一直受到世界列国的普遍重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球规模的研究热潮.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东西和东西涂层资料.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自己的粗糙度问题，目前，己经有针对性地开展了大量的研究任务.随着研究任务的不竭深入，金刚石薄膜将会为整团体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资料，理论预测它具有达到和超出金刚石的硬度.已有的研究标明CNx薄膜的硬度可高达72GPa，可与DLc相比较.同时CNx薄膜具有十分独特的摩擦磨损特性.在空气中，CNx薄膜的摩擦系数为0.2-0.4，但在N2、C02和真空中的摩擦系数为0.01~0.1.在N2气氛中的摩擦系数最小(0.01)，在大气情况中向实验区域吹氮气，也可将其摩擦系数降至0.017.因此，CNx薄膜有望在摩擦磨损领域取得实际应用.4 类金刚石薄膜类金刚石膜(DLC)是一大类在性质上和金刚石类似，具有sp2和sp3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜.与组分相关的硬度可从20GPa 变更至80GPa.类金刚石碳膜作为新型的硬质薄膜资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，可普遍用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，具有良好的应用前景.DLC的主要缺点是：(a)内应力很大，因此薄膜厚度受到限制，一般只能达到1um~2um以下；(b)热稳定性较差，含氢的a:C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2键增加，sp3键下降，在大约500℃以上就会转变成石墨.5 纳米复合多层膜纳米多层膜是一种人为可控的一维周期结构，这种结构可以有效地调整薄膜中的位错和缺陷及其运动，从而取得高硬度、高模量等性能，近期有关多层膜的研究报导较多，其中以金属/氮化物(碳化物，硼化物等)多层膜和氮化物/氮化物多层膜的研究居多.最近，纳米晶粒复合的TIN/SINx薄膜资料的硬度达到了创记实的105GPa，可以说完全达到了金刚石的硬度.以纳米厚度薄膜瓜代沉积取得的纳米复合多层膜的硬度与每层薄膜的厚度(调制周期)有关，有可能高于每一种组分的硬度.纳米复合多层膜不但硬度很高，并且涂层的韧性和抗裂纹扩展能力得到了显著改良，摩擦系数也较小，因此是理想的工模具涂层资料.它的出现向金刚石作为最硬资料的地位提出了严峻的挑战，同时在经济性上也有十清楚显的优势，因此具有很是好的市场前景.但是，由于一些技巧问题还没有得到解决，目前暂时还未在产业上得到普遍应用.二、类金刚石薄膜简介类金刚石(Diamond-like Carbon，简称DLC)资料是碳的非晶亚稳态结构存在形式之一，是人工分解的含有sp3和sp2键碳稠浊的非晶亚稳态结构.迄今为止，人们发明的由纯碳组成的晶体有3种：金刚石、石墨和最近被发明并引起普遍存眷的具有笼状结构的布基球和布基碳管.结构不合造成三者的性质表示出较大的差别.石墨中的碳原子通过sp2杂化形成3个共价σ键，并与其他碳原子连接成六元环形的蜂窝平面层状结构.在层中碳原子的配位数为3，另外每个碳原子还有一个垂直于层平面的p轨道电子，它们相互平行，形成离域π电子而贯串于全层中，层中每两个相邻碳原子间的键长0.142nm，层与层之间由份子力结合，间距0.34nm，远大于C-C 键长，所以石墨有良好的导电、导热和润滑特性；金刚石中每个碳原子进行sp3杂化形成4个σ键，组成正四面体，是典型的原子晶体，有硬度大、熔点高的特点，并具有优良的光学、声学、热学和电学特性.而含有sp3和sp2键碳稠浊的非晶DLC，具有石墨和金刚石所共有的性能：硬度大、熔点高、良好的导热、润滑特性，同时具有优良的光学、声学、热学和电学特性.紫外-可见光拉曼光谱(UVRS)测试标明DLC 薄膜确实具有石墨和金刚石稠浊结构.天然和人造金刚石晶体的Raman光谱峰位为1332cm-1的单峰，石墨晶体的Raman光谱峰位为1575cm-1，多晶石墨除1575cm-1峰外还有一个峰位于1355cm-1.1355cm-1峰的强度决定于样品中无机碳的含量及石墨晶粒的大小.而DLC薄膜不但则有一个在1560cm-1很强并且半高宽度很小的峰位，还有一个在1350cm-1~0.152nm，而石墨和金刚石的碳-碳原子的最近距离辨别为0.142和0.154nm.由于DLC薄膜制备办法(如PVD、CVD、PCVD等)和采取碳原子的载体(如各类碳烷气、石墨等)不合，所生成薄膜的碳原子键合方法(C-H，C-C)与碳原子之间的键合方法(有sp2和sp3)及各类键合方法的比例也不合.因此DLC薄膜可分为非晶碳膜和含氢非晶碳膜.而非晶碳膜的成分、结构、性能也相差较大，但配合点是空间结构上长程无序而短程有序、由大量sp3和少量sp2碳原子键合的一种网状碳结构.研究标明，DLC薄膜的性质与连续的、无法则的sp3骨架的排列及sp3/sp2的比例等都有关，DLC膜的物理、化学、力学和电子学等性能由其结构决定.三、类金刚石薄膜的制备DLC薄膜的制备办法分为物理物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类.在此根本上，目前己经成长出基于物理物理气相沉积和化学气相沉积以及两者结合的多种DLC薄膜制备办法.PVD办法主要有:离子束帮助沉积法，溅射沉积法，离子束沉积法，真空阴极电弧沉积法等.CVD办法主要有:直流辉光放电等离子体化学气相沉积法、射频辉光放电等离子体化学气相沉积法、电子盘旋共振化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等.与其他办法相比，磁过滤阴极真空弧沉积办法具有阴极资料离化率高、沉积离子能量可大规模调节、沉积温度低及沉积速率初等优点，被证明是制备高硬度涂层的很是优秀的办法之一，在近十年来得到普遍研究.先进的镀膜技巧为沉积超硬薄膜提供了技巧包管，完善的镀膜设备功效是包管超硬薄膜资料质量的根本.超硬薄膜资料是资料科学与工程中蓬勃成长的领域，只有在实际中得到应用才干增强它的生命力.四、类金刚石膜的应用类金刚石薄膜具有较高的硬度，化学惰性，低摩擦系数，优异的耐磨性，表面电阻高，在可见光区的透射率高.类金刚石膜作为庇护膜已经运用到许多领域：光学窗口、磁盘和微电机系统（MEMS）等，具体的应用如下：1机械领域的应用由于其具有高的硬度、低摩擦系数（尤其是在超高真空条件下）以及良好的导热性，可以使机械零件在没有冷却和润滑的情况下运转，而不至于导致太高的温度，因此作为耐磨涂层在摩擦学领域具有巨大的应用前景.类金刚石膜作为耐磨硬质膜在太空中的应用研究也已经展开.由于其较低的摩擦系数，可较好地使用在低温，高真空等不适于液体润滑的情况以及有清洁要求的情况中.类金刚石作为轴承、齿轮、活塞等易损机件的抗磨损镀层尤其是作为刃具、量具概略的耐磨涂层是十分适合的.类金刚石薄膜用作刀具涂层，能提高刀具寿命和刀具边沿的硬度，削减刃磨时间，节约成本.类金刚石薄膜用作量具概略涂层，不至于使其改动尺寸和划伤概略，削减标定时间.它还具有良好的化学稳定性，避免酸碱及有机溶液侵蚀，适用于化工机械部和多种装饰件的镀层.2光学领域的应用①红外窗口的抗磨损庇护层和反射层：类金刚石膜在整个红外波段规模具有良好的透明特性.由于薄膜硬度高，耐磨性好，使其可以作为支撑红外窗口或作为ZnS、ZnSe等红外窗口的庇护涂层.朱昌等人发明对NaCl晶体镀类金刚石薄膜做庇护层，既不影响10.6um激光输出功率，又可以避免NaCl潮解，能延长红外窗口的使用寿命；②发光资料：类金刚石膜具有良好的光学透过性以及室温生长的特点，因此类金刚石膜可以作为由塑料和聚碳酸脂等低熔点资料组成的光学透镜概略的抗磨损庇护层.类金刚石膜光学带隙规模宽，室温下光致发光和电致发光率都很高，能在整个可见光规模发光，这使得类金刚石膜成为性能极佳的发光资料之一；③存储资料：V.Yn Armeyer等人实验发明在硅玻璃基片上沉积厚度为100nm的类金钢石薄膜的光学存储信号密度可高达108bits/㎝2数量级，并且具有信噪比高，硬度高，化学稳定性强以及无需再加庇护层等优点，因此有希望成为一次性写入记实介质；④太阳能光-热转换层：在铝基片概略沉积不合厚度的单层类金刚石膜、硅及锗涂层后，通过比较各自的性能发明单层类金刚石膜的光热转换效率最高.3医学领域的应用作为一种种植资料，类金刚石膜具有普遍的应用前景.如：在聚乙烯的人工股骨关节头上镀一层类金刚石膜，其抗磨损性能可以与镀陶瓷和金属制品相比；镀有Ti/DLC多层膜的钛制人工心脏瓣膜，由于其具有疏水性和滑腻概略，也取得了较好的效果；在用于骨科内固定机械的Ti-Ni形状记忆合金，镀一层类金刚石膜，使其具有良好的抗氧化性以及良好的生物学摩擦特性.在人造牙根上镀制一层类金刚石膜可以改良其生物相容性.4电子领域的应用~3.8之间的DLC膜和介电常数小于2.3的FDLC膜.对于BEOL互联结构，低K值的DLC 膜是很好的选择.采取碳膜和类金刚石膜瓜代出现的多层结构可机关具有共振隧道效应的多量子阱结构，具有独特的电特性，在微电子领域有很大的成长前途.结论类金刚石膜（DLC).由于该膜在力学、热学、电学、化学、光学等方面具有优异的性能，且制备复杂、成本低廉，较之于金刚石薄膜具有较高的性能价钱比，且在相当普遍的领域里可以代替金刚石薄膜，在机械、电子、化学、医学、军事、航空航天等领域体现了其广漠的应用前景.参考文献[1] 吴大维. 硬质薄膜资料的最新成长及应用. 真空. 2003[2] 吕反修. 超硬资料薄膜涂层研究进展及应用.热处理. 2004[3] 陈灵，刘正义，邱万奇等. 类金刚石膜的制备及其影响因素. 中国概略工程. 2002[4] 程宇航等. 类金刚石膜结构的红外阐发. 硅酸盐学报，1998(4)，26[5]李振军，徐洮，李红轩[6] 刘成龙，杨大智等.医用不锈钢概略沉积类金刚石薄膜的电化学腐化性能研究. 硅酸盐学报. 2005(5)[7]杨玉卫，刘慧舟等.类金刚石膜的性能、制备及应用.[9] 黄立业，徐可为，吕坚. 类金刚石薄膜的概略纳米划擦性能评价. 无机资料学报. 2001(5) [10]罗崇泰. 类金刚石薄膜的取得和应用. 真空与低温. 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材料科学中的金刚石薄膜制备技术
材料科学中的金刚石薄膜制备技术近年来，材料科学领域中的金刚石薄膜制备技术引起了广泛的关注。
金刚石是世界上最硬的物质之一，具有非常优异的力学性能、磁学性能和热学性能等。
由于其优异的机械和热学性能，金刚石薄膜已广泛应用于微电子、生物医学、航空航天和高速切削加工等领域。
金刚石薄膜制备技术有多种方法，包括化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、离子束沉积、热解法、溅射法等。
这些方法都有自己的优势和限制，需要针对不同应用场合进行选择。
其中物理气相沉积是最常用的方法之一。
在物理气相沉积中，最常用的金刚石沉积源是石墨。
通过热解石墨在真空中形成的碳离子，然后在底板上沉积成薄膜。
这种方法制备的金刚石薄膜质量高，可控性强，具有较高的生长速率和生长面积，很适合制备大面积的金刚石薄膜。
此外，等离子体增强化学气相沉积也是一种常用的制备金刚石薄膜的方法。
它利用等离子体使一种气体解离成离子和自由基，然后将其沉积在底板上。
与物理气相沉积相比，等离子体增强化学气相沉积生长的金刚石薄膜结构更加致密，分子束需在高真空下进行，可有效控制沉积速率、形成金刚石结晶的取向、控制金刚石颗粒的大小等。
离子束沉积方法也被广泛用于制备金刚石薄膜。
离子束沉积是利用精细控制的离子束使靶材表面原子沉积在基体表面。
它具有高生长速率、大生长区域、高沉积效率和微观结构控制等特点。
这种方法需要在高真空环境下进行，因此需要昂贵的真空设备，制备成本较高。
与上述方法相似的是，热解法也是一种常见的制备金刚石薄膜的方法。
它通过热分解炔烃在真空或惰性气氛中生成金刚石结晶。
在生长过程中，金刚石薄膜的结晶取向和沉积速率都可以通过控制沉积条件来制定和改革。
这种方法具有简单、可控、可与微电子芯片制造过程相结合等优点，但由于需要高温条件和压力，对实验设备和技术人员要求较高。
溅射法则是制备金刚石薄膜的前沿研究热点之一。
该方法利用金刚石靶材的离子束轰击特定的沉积基底，通过反应在基底上沉积的碳溶质形成金刚石薄膜。
金刚石薄膜技术及其应用
金刚石薄膜技术及其应用金刚石是一种硬度极高的天然矿物，于20世纪60年代起被学界广泛研究。
随着材料科学技术的不断进步，金刚石薄膜技术也逐渐成为研究的热点之一。
本文将从金刚石薄膜技术的原理、制备方法及其应用的方面进行阐述。
一、金刚石薄膜技术原理金刚石薄膜技术主要利用化学气相沉积（CVD）的方式在基材表面生长金刚石薄膜。
这种方法通常需要高温（在800℃以上）和高气压的气氛下进行，需要一些特殊的条件。
CVD是一种利用热分解气体在表面形成固体物质的工艺。
在CVD法生长金刚石薄膜的过程中，应先将气流中的气体分离出不含杂质、单质态的纯氢气，在高温下将氢气还原出单质氢原子，在这些氢原子的作用下，金刚石的碳原子就会在基材表面上生长。
二、金刚石薄膜技术制备方法金刚石薄膜的制备方法主要分为两大类：基于低压CVD技术和基于高压CVD技术。
基于低压CVD技术中，使用的气体通常是甲烷和氢气的混合物，在真空条件下进行反应。
将这些气体通过高温反应炉，使得甲烷分解成纯碳离子。
碳离子被氢气还原后，随后沉积在准备好的表面上，形成一层金刚石薄膜。
而基于高压CVD技术，则是在准备好的基板中，使用气压较高的气体进行反应。
这种方法通常能够得到更厚的金刚石薄膜。
三、金刚石薄膜技术的应用金刚石薄膜技术的应用场景非常广泛，以下将介绍一些典型的应用场景和案例：1. 电子技术领域金刚石薄膜是一个重要的电学材料，在电子技术领域有着广泛的应用价值。
例如，金刚石薄膜是一种优秀的绝缘材料，可以用于制造高性能半导体元件、纳米晶体管和高功率器件。
2. 机械工业领域由于金刚石薄膜极其硬度极高和耐磨性能强，在机械工业领域也有着广泛的应用价值。
例如，在高速切削和精细加工方面，金刚石薄膜的应用能够明显提高加工效率和加工精度。
另外，金刚石薄膜也可以用于制造高强度、高硬度的刀具和轴承零部件。
3. 生命科学领域除此之外，金刚石薄膜技术在生命科学领域也有另外一些应用场景。
例如，金刚石薄膜可以被用作人工眼视网膜和人工髋关节等器官的材料。
我国类金刚石薄膜主要制备技术及研究现状
• 5.医疗设备和器具：手术刀片，手术剪， 心脏瓣膜，人工关节，血管支架。 • 6.内燃机工业：燃料喷射系统（气门挺杆， 柱塞，喷油嘴），动力传动系统（齿轮 轴 承 凸轮轴），活塞部件（活塞环，活塞 销），门扣锁，内饰。 • 7.娱乐健身：扬声器振膜，移动硬盘，光 盘，高尔夫球具，自行车部件，剃须刀片。 • 8.光学：红外增透膜，减反射膜，玻璃镀 膜，镜片镀膜，亚克力镀膜，保护膜。 • 9.装饰镀膜：手机外壳，高档手表，室内 外五金卫浴产品，饰品。 • 10.航空航天 ：飞机，导弹整流罩镀膜， 卫星，太阳能电池镀膜。
激光法制备DLC膜的发展趋势
• DLC膜的沉积方法可分为物理沉积法和 化学沉积法两大类。化学沉积法已十分成 熟，但由于化学法沉积的DLC膜必然含氢， 导致膜层化学稳定性、热稳定性、硬度、 附着力较差。此外，化学法均需要在高温 下(>400oC)沉积，对于不耐高温的材料(如 玻璃、硫化锌等)无法在上面镀DLC膜；对 于耐高温的材料，虽然化学法可以镀膜， 但由于DLC膜热膨胀系数很小，和衬底热膨 胀系数差异大，沉积完成后，膜内部会产 生较大的热应力，甚至导致薄膜起皮、剥 落。因此，世界各国近年来都在积极开展 可以制备无氢DLC膜的物理沉积法研究。
我国类金刚石薄膜主要制备技 术及研究现状
汇报人：王培东 指导老师：胡鹏飞
主要内容
一、类金刚石薄膜介绍 二、类金刚石薄膜制备技术 三、类金刚石薄膜应用 四、类金刚石薄膜应用展望
一、类金刚石薄膜介绍
• 类金刚石薄膜(DiamondLike Carbon)是金刚石 的sp3杂化和石墨sp2杂 化两种结合键作为骨架 构成的非晶态碳膜，简 单地讲，由纳米级的金 刚石和碳混合形成，金 刚石占20%-80%。由sp3 结合的金刚石和sp2结合 的石墨与H(氢)组成的三 元相图右图：
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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。
其中美国有53篇，日本有507篇，其他国家为112篇。
而在1983～1987年这4年内，全世界就发表了这方面的专利573篇，其中日本发表有488篇。
由此看出，80年代中期是CVD法沉积合成金刚石薄膜技术的大发展时期，而日本的研究开展的最为活跃。
1.2 类金刚石薄膜的制备方法1、热丝CVD法bqjs0028.gif 图28 热丝CVD法金刚石薄膜沉积合成装置 1－加热炉 2－玻璃罩 3－钨灯丝 4－基片 5－硅槽 6－热电偶 7－氧化铝棒（管） 8－馈气口 9－接电源 10－接真空量规处 11－接真空泵处日本青山大学的犬冢等人和广岛大学的广濑等人，于1985～1988年间，分别先后利用热丝CVD法，采用氢稀释过的甲烷、乙醇等含氧的有机化合物作原料，进行了沉积金刚石薄膜的实验。
结果用氢稀释过的甲烷作原料，金刚石薄膜的沉积速度为数μm/h（微米/小时）；而采用乙醇等含氧的有机化合物作原料，金刚石薄膜的沉积速度提高到了数十μm/h。
2、等离子体CVD法该法沉积合成金刚石薄膜的条件与热丝CVD法的情况类似。
1984年，日本国家无机物材料研究所的濑高信雄等人利用该方法进行了金刚石薄膜的试制，结果与热丝CVD法的情形大致相同，薄膜的沉积速度为数μm/h。
1987年，日本青山大学的泽边、犬冢等人采用直流等离子体法，通过发生更高密度的等离子体进行高速沉积实验，结果金刚石薄膜的沉积速度达到了20μm/h。
同年，国家无机物材料研究所的松本、日野等人利用高频热等离子体法制作金刚石薄膜薄，膜的沉积速度达到了60μm/h。
1988年富士通实验室的粟花、河原田等人采用直流等离子体射流法制作金刚石薄膜，薄膜的沉积速度达到了数百μm/h。
另外，河原田等人在1987年还实验了一种以大面积化为目标的磁场法用来提高金刚石薄膜的沉积速度。
3、离子束蒸镀法bqjs0029.gif 图29 离子束蒸镀法类金刚石膜蒸镀设备原理图1－电源 2－等离子 3－离子加速电极 4－聚焦偏转系统 5－离子减速栅极 6－基片 7－高真空室 8－扩散泵 9－电子枪 10－被涂材料该方法，除了前面所讲谈到的艾森伯格等人于1971年、斯潘塞等人于1976年分别进行了成功实验外，日本的毛利、难波等人于1982年也利用该方法成功地镀制出了类金刚石薄膜。
4、光、激光CVD 法 1986年，日本大版大学的河合等人分别利用光、激光CVD法进行了金刚石薄膜的制作实验。
采用光CVD法装置，以C2H2（二氢化二碳）作原料气体，使用低压水银灯，用185nm（纳米）的光进行弧光放电，使C2H2气体分解电离，产生碳离子束，制作金刚石薄膜。
基片材料为硅、石英等。
薄膜在室温至300℃的条件下就可形成。
制作的薄膜具有透明度好、电阻抗大等特点。
不足之处是硬度稍差一点。
采用准分子激光CVD 法，同样以C2H2作原料气体，使用波长为193nm的ArF（氩氟）准分子激光，对C2H2气体进行分解电离，产生碳离子束，在加热的基片上沉积成膜。
利用光、激光CVD法制成的金刚石薄膜通过扫描电子显微图像和电子衍射评价，薄膜的结晶性已得到了确认。
进入90年代，低压CVD法沉积合成金刚石薄膜技术仍处于蓬勃发展时期，许多东西尚未达到成熟阶段，对其反应工艺仍在进行各方面的研究探讨－如反应的分析、反应模拟，结晶生长的量子化学探讨等。
特别是对工艺反应提出了不少的观点，其中最有代表性的是活性气体参与反应的活性反应学说。
这种学说是被许多研究人员所支持的一种学说，它认为金刚石是由激励状态的甲基原子团（CH3碳氢化合物）形成的。
在沉积合成金刚石薄膜的过程中，根据使用的活性气体分子种类的不同，沉积合成出的薄膜的形态也不一样。
在整个工艺过程，原子状态的活性气体起着重要作用，它参与立体结构金刚石（SPPP）的形成，而后与生成的非晶体碳起反应，最后沉积生成金刚石薄膜。
1.3 类金刚石膜国内研究进展DLC在技术上已经成熟，在国外已经达到半工业化水平，形成具有一定规模的产业。
深圳雷地公司在DLC的产业化应用方面走在国内前列。
不少单位，如北京师范大学、中科院上海冶金所、北京科技大学、清华大学、广州有色院、四川大学等都正在进行或曾经进行过DLC的研究和应用开发工作。
DLC的主要缺点是：(1)内应力很大，因此厚度受到限制，一般只能达到lum～21um以下；(2)热稳定性较差，含氢的a：C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2成分增加，sp3成分降低，在大约500℃以上就会转变为石墨。
1.4金刚石、类金刚石膜的应用前景金刚石、类金刚石薄膜具有优良的光学、机械和电特性在军事领域有广泛用途。
例如，由于它具有优良的光透过率，非常适合制作红外光学零件的单层减反膜，以改善红外光学透镜对红外线辐射的透过率，进尔提高红外热成像仪扑捉敌目标的能力。
由于具有很高的硬度、很强的耐磨性和耐腐蚀性，可以用作军用光电仪器、飞机等的窗口、挡风玻璃等，以提高它们的使用寿命。
因此说，金刚石、类金刚石薄膜技术的发展对武器装备和国防科技的发展颇有影响。
2 类金刚石薄膜的微观结构与其物理特性碳有 2 种结晶态 , 即石墨和金刚石。
这2种晶态表现出 2 种不同的物理特性。
石墨结晶结构是在室温条件下热力学中优先生成的结晶结构。
它是一种层状结构 , 其 C 原子紧密以共价键连接在一个平面 (称为 SP2混合键) 内 , 层与层之间的连接很弱。
在金刚石中 , 一个 C原子被另外 3 个 C原子所围绕并形成共价键 (称为 SP3混合键) , 表现出硬度高的特性 (但其晶体需要在高温、高压条件下才能形成) 。
因此 , 在温度不太高的条件(100 ℃～300 ℃) 下 , 碳离子在基片上形成一种无定形碳膜 , 其结构含有石墨结构成分(SP2结构) 和金刚石结构成分 (SP3结构) ,而 SP2和 SP3含量的多少 , 决定其宏观的物理特性。
因此 , SP2和 SP3含量的测试是保证类金刚石薄膜质量的关键。
Raman 光谱分析法是测试类金刚石薄膜化学结构的主要方法。
美国学者 R. E. Shroder 建立了一个SP2和SP3成分相对比率喇曼光谱定标曲线。
分别用氮化硼 (BN) 和金刚石粉末以及用石墨与金刚石粉末 2 种混合物 , 在严格确定混合粉末成分比例条件下 , 得到了几组喇曼光谱图。
随着石墨与金刚石粉末含量的变化 , 喇曼光谱在 1355cm 处的 D 峰和1580cm 处的 G峰有着明显的变化 , 其中 D峰代表SP3成分的含量 (即金刚石结构的含量) , G峰代表 SP2成分的含量。
由于类金刚石薄膜是一种无定形态的碳膜, 其 SP2键与SP3键的杂化轨道表现在喇曼光谱在1100cm～1700cm 范围内有较宽的展宽。
因此, 用上述方法严格定量分析是困难的。
有些学者提出, 用喇曼光谱中 G峰向 D 峰方向的位移量计算 SP2与 SP3含量的相对比率。