化学气相沉积法制备掺硼金刚石膜的
化学气相沉积法制备掺硼金刚石膜的研究
姓名：许杰 学号：0802030222
1. 化学气相沉积法制备掺硼金刚石薄膜的提出及研究意义
金刚石薄膜是迄今为止已知材料中硬度最大、透光范围最宽、声速最大、室温下热导率最高的材料，除此之外，它还具有带隙宽、载流子迁移率高和极佳的化学稳定性，它在电学、光学、声学、热学、机械以及军事领域中有着广泛的应用前景。而由于金刚石薄膜是一种宽禁带半导体材料，所以其导电性不佳，在超纳米金刚石薄膜的应用上有一定的局限。为改变其导电性能从而想到运用掺杂的方法改变其导电性能。但是由于金刚石的晶格常数与碳原子半径较小，杂质原子在金刚石中的溶解度一般较小，除了硼和氮以外的元素很难进入晶格中的间隙位置。由于氮是深能级杂质，因此在室温下氮掺杂的金刚石仍然为绝缘体，所以为改变金刚石薄膜的导电性能，目前为止最好的方法就是掺入硼。
现在有一种采用掺硼的金刚石薄膜电极作为工作电极来检测抗坏血酸的方法，它继承了金刚石薄膜耐腐蚀、抗辐射、耐高温、稳定性高等特点，且具有宽的电势窗口、低背景电流、化学和电化学的稳定性高的特点，这些就决定了它比其他电极有更长的寿命、重现性更好、使用简单便捷。
另外还有一种用掺硼金刚石薄膜制成的涂层刀具。金刚石薄膜涂层的硬质合金刀具是加工有色金属、硅铝合金、纤维增强塑料、陶瓷及金属基复合材料等非铁材料的首选刀具。然而,由于硬质合金刀具中粘接相钴的催石墨化作用,使得金刚石薄膜与刀具基体之间的附着力较低,从而阻碍了金刚石薄膜涂层刀具的产业化。在刀具基体表面渗硼,使硼元素与刀具表层的钴元素发生反应生成稳定的化合物是一种提高膜基附着力的新型预处理方法。然而如果掺入的硼量过大会是薄膜的结合率降低而影响薄膜的性能！
硼掺杂是改变金刚石薄膜电学性能的一种途径，掺硼后金刚石薄膜的空穴浓度会被提高，形成P型金刚石薄膜，少量的硼掺杂可以使薄膜电阻率降低到10- 3Ω·cm级别,接近导体范围。硼原子掺入金刚石薄膜中一部分进入金刚石结构取代碳原子,有三个价电子的硼原子和周围四个碳原子形成共价键时还缺少一个电子,必须从别处的碳原子中夺取一个价电子,于是在金刚石晶体中的共价键中产生了一个空穴,因此掺硼金刚石薄膜的导电模式主要是空穴导电。同时少量的硼也会是金刚石薄膜的晶粒尺寸变小，因而可以细化晶粒，改善薄膜的质量。但大量的硼掺杂，会使晶型逐渐变的不完整，晶体缺陷明显增多。通常的掺硼技术有化学气相沉积和离子注入等。化学气相沉积金刚石薄膜质量高,硼掺杂工艺简单。一般只需在反应室中引入含硼物质即可实现硼掺杂。因此研究用化学气相沉积的方法制备掺硼金刚石薄膜具有广阔的应用前景。
2. 化学气相沉积法制备掺硼金刚石薄膜的分析及其相关文献总结
化学气相沉积是利用气相之间的反应,在各种材料或制品表面沉积一层薄膜,赋予材料表面一些特殊的性能。它可以提高材料抵御环境作用的能力,如提高材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性;它还可以赋予材料某些功能特性,包括光、电、磁、热、声等各种物理和化学性能。因此,化学气相沉积制膜技术被广泛应用于机械制造工业、冶金工业、光学工业、半导体工业等领域。
硼掺杂可提高薄膜中空穴浓度, 形成p 型金刚石薄膜。少量的硼掺杂可以使薄膜电阻率降低到0.001Ω·cm级别, 接近导体范围。因此, 掺硼金刚石薄膜技术使得金刚石薄膜用于制备电化学催化用电极材料成为可能。同时掺入硼的浓度对金刚石薄膜的质量应该也会有影响，适量的硼源浓度改变金刚石膜的导电性能的同时也可以细化晶粒，提升膜的质量。但过高的硼源浓度将降低薄膜附着力,
薄膜易龟裂与脱落。
3. 研究内容与研究方法及其可行性分析
采用微波等离子体化学沉积法制备掺硼金刚石薄膜，用氢气与甲烷的混合气体提供碳源，氢化硼提供硼源，以硅片为基底。沉积掺硼金刚石薄膜的过程有两个阶段，即形核和生长阶段。在实验前先对硅片进行清洗确保硅片表面无杂质影响沉积，清洗后放到实验装置的基片台上，实验过程中可用冷却水装置控制基片台的温度。在形核阶段，使用氢气与甲烷作为反应气体，同时通入氢化硼，控制通入气体的流量，这样在一定的微波功率下就可以实现硅片表面掺硼金刚石膜的形核及生长过程。
一定的微波模式可以激发低压气体形成等离子体，从而不同粒子在反应室内沉积而达到成膜的目的，同时又可以通过控制通入氢化硼气体的流量而控制掺入硼的浓度，因此通过此方法可以制备满足条件的掺硼金刚石薄膜。
4. 具体的研究过程
实验中使用的装置是实验室自行研制的2.45GHz、5kW的MPCVD,实验装置图如下：
反应室是用水冷却的内径为145 mm 的不锈钢圆柱形腔体组成, 基片台是直径为60 mm 的不锈钢管, 其内部用冷却水冷却, 基片通过等离子体进行加热,
在一定的微波功率下, 通过调节冷却水的流量来控制基片温度, 温度是通过红外测温仪进行测量。实验需要的气体有氢气、甲烷和氢化硼，基片为硅片。实验开始前首先对硅片进行清洗后放到基片台上，打开机械泵抽真空，是反应室内气压为10Pa以下，然后开始通入氢气与甲烷的混合气体以及氢化硼，打开冷却水系统，控制气体流量，并记录开始形核以及生长时的沉积气压。实验完成后通过SEM和拉曼光谱图分析的方法对沉积后的掺硼金刚石薄膜进行检测分析。其中金刚石薄膜的生长参数如下所示：
微波化学气相沉积法沉积掺硼金刚石膜的生长工艺
CH4流量（sccm） H2流量（sccm） B2H6（sccm） 微波功率Pw (W) 沉积气压P（kPa） 基片温度（℃） 时间t（h）
形核 20 200 5 1900 4.5 670 1
生长 10 200 10 2400 6 780
6
气体的流量对掺硼金刚石薄膜的影响很大，氢气和甲烷的混合气体是为实验提供碳源，形核时期通入的甲烷流量低会导致膜的无法正常形核，过多则会影响膜的沉积质量，而氢化硼是提供硼源，过少无法改变金刚石薄膜的导电性能，但大量的硼掺杂，会使晶型逐渐变的不完整，晶体缺陷明显增多。微波会激发低压气体转变成等离子体，功率的高低会影响激发的程度。激发后等离子体粒子间需要在一定的沉积气压下互相反应。因此掺硼金刚石薄膜的形核与生长必须要在一定的生长参数下才能正常完成。
5. 预期的试验结果
少量的硼掺入会细化晶粒，掺硼的金刚石粒子多呈团聚形分布，与未掺杂金刚石相比，尺寸相对较小、分布均匀且结构致密。掺硼的金刚石粒子多呈团聚形分布，与未掺杂金刚石相比，尺寸相对较小、分布均匀且结构致密，粒子尺寸平均为1.5~3μm。
实验得到的检测参数如下图所示：
掺硼金刚石膜的SEM照片
上图为掺硼金刚石膜的SEM图，在上述生长参数下生长的金刚石晶粒尺寸约为2μm，粒子呈团聚式分布，薄膜均匀的沉积在硅片上，验证了硼的掺入可以细化晶粒，改善膜的沉积质量，同时证明硼原子可填补金刚石的晶体缺陷，使其晶体结构更为致密，而增加其强度。
10001200140016001800200002004006008001000120014001600Intensity /a. u.Raman shift /cm-1132712201470
掺硼金刚石膜的拉曼光谱图 上图为样品的拉曼光谱图，金刚石的特征峰为1332，可是图中的峰却在1327处，原因可能是金刚石原子间的间隙位置掺入了硼，从而影响了拉曼光谱图的峰值位置。同时在1220和1470处也出现了特征峰，这是由于硼掺杂使得金刚石失去了原有的结构对称性，新结构的分子产生的振动与照射光发生作用时，表现出新的拉曼散射。实验中观察到的1220处特征峰被认为是硼掺入后引起的结构变化，1470处以及1327处的金刚石特征峰强度降低，半高峰宽增加，说明硼的引入使得金刚石薄膜的质量有所下降。硼原子的直径略大于碳原子，硼原子取代碳原子后，必然引起晶格的畸变。
综上所述，硼掺杂可以改善金刚石薄膜的导电性能，少量的硼会细化晶粒，硼的掺入量的增加则会使薄膜的质量恶化，在1220处产生的特征峰为金刚石结构对称性的改变引起的，此处薄膜的内应力急剧增加，过大的内应力将导致薄膜从基底上的脱落。
6. 参考文献
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[3] 王豫,水恒勇. 化学气相沉积制膜技术的应用与发展[J].热处理，2001，16（4）：1～4
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[5] 满卫东, 汪建华, 王传新, 马志斌, 王升高, 熊礼威.微波CVD法低温制备纳米金刚石薄膜[J].武汉化工学院学报，2006，28（4）：57～61
[6] 王文君 , 汪建华 , 王均涛 , 辛永磊 , 熊礼威 , 刘峰硼.源浓度对钛基掺硼金刚石薄膜生长的影响[J].表面技术，
掺硼金刚石薄膜电极电化学特性的研究
第２４卷第２期 ２００８年４月 天津理工大学学报 ＪｏＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＩＡＮＪＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏｌ＿２４ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００８
文章编号：１６７３—０９５Ｘ（２００８）０２－００２２—０３
掺硼金刚石薄膜电极电化学特性的研究
孙志远，巩国棵，朱 宁
（天津理工大学电子信息与通信工程学院，天津３００１９１）
摘要：通过循环伏安法研究了掺硼金刚石膜电极在ＫＣＬ溶液中的电势窗口大小，结果表明电势窗口可达３．２ Ｖ
还研究了电极在铁氰化钾溶液中的电化学行为，结果表明电极的反应动力学主要受扩散过程控制．
关键词：金刚石膜电极；循环伏安法；铁氰化钾 中图分类号：０６５７ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｂ－ｄｏｐｅｄ
ｄｉａｍｏｎｄ ｆｉｌｍ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ＳＵＮ Ｚｈｉ—ｙｕａｎ，ＧＯＮＧ Ｇｕｏ—ｌｉａｎｇ，ＺＨＵ Ｎｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｗｉｎｄｏｗ ａｂｏｕｔ Ｂ—ｄｏｐｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｆｉｌｍ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｉｎ ｔｈｅ ＫＣＬ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉ￣ｗｉｎｄｏｗ ｕｐ ｔｏ ３．２ Ｖ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｅ—
ｈａｖｉｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｉｎ ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｋ３ Ｆｅ（ＣＮ）６．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｍａｉｎｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎ
科技成果——硼掺杂金刚石薄膜电化学高级氧化废水处理系统
科技成果——硼掺杂金刚石薄膜电化学高级氧化废水处理系统
技术开发单位
山东省科学院海洋仪器仪表研究所
适用范围
本团队研制的硼掺杂金刚石薄膜污水处理系统主要用于污水处理生化池前端预处理及排水前的脱色灭菌处理、化工厂内部高浓度废水的气浮回收之后的COD快速降解及高毒性废水可生化性的快速提高、污水后端深度处理等领域，涉及海洋、石油、化工、制药、农药、印染、垃圾回收处理等领域，是工矿企业污水排放达标、水处理企业高效运转的重要技术保障手段。
成果简介
面向制药、化工、石油、冶金、医药等行业产生的高浓度、高毒性工业废水，通过开展大面积掺硼金刚石薄膜电极的制备、表面修饰和微结构设计，获得活性位点多、析氧电位高、有机污染物处理效率高、工作寿命长的金刚石薄膜叠层电极；开展废水动力学、界面传质及电荷传输优化关键技术，结合废水处理数据库的建设，实现废水处理工艺快速优选与评估与能耗管理，提高废水处理的经济性与可靠性。
技术效果
本技术成果可满足高浓度高毒性废水的降解需求，根据污水成分和COD的含量，每年可实现1500-5000吨的废水处理能力，降解至进生化池和工业园区排放标准。 运营成本
（1）建设成本：一次性投入费用：根据污水的COD值和每天的处理水量，预计系统投资成本在100-500万。
（2）吨水处理费用：平均费用20元/万COD（4万COD以上）；60-150元/万COD（4万COD以下）。
（4）后期维护费：根据电极的面积，按每三年更换一次，预计成本10-60万元/年。
应用情况
拟在山东瑞辰新材料有限公司开展OLED发光材料高浓度难降解废水的示范应用，正在进行场地协调工作，采用1m2的硼掺杂金刚石薄膜电极，进行4万-24万COD的污水处理试验，目前小试情况良好，在超高COD的前期降解（24万至4万COD）的平均能耗为16.2度/万COD。
市场前景
据统计，2016年全国废水排放总量近700亿吨。其中工业废水排放量超过200亿吨。随着社会环保意识的增强，以及相关法律法规的实施，污水处理系统等环保仪器装备需求持续增长。国家出台“水十条”，要求“狠抓工业污染防治”，“全面排查装备水平低、环保设施差的小型工业企业”，“造纸、焦化、氮肥、有色金属、印染、农副食品加工、原料药制造、制革、农药、电镀等十大重点行业，制定行业专项治理方案，实施清洁化改造，新建、改建、扩建上述行业建设项目实行主要污染物排放等量或减量置换”。技术工艺的升级及废水处理系统的配套升级是企业的必由之路。仅山东省就存在化工产业园百余家，规模以上化工企业数千家，规模以下企业近10万家，行业利润600余亿元，相关领域配套污水处理系统市场潜力巨大。
第二十二讲化学气相沉积(CVD)技术
第二十二讲化学气相沉积(CVD)技术
张以忱
【期刊名称】《真空》
【年(卷),期】2024(61)1
【摘 要】(接2023年第6期88页)微波等离子体CVD法是制备优质金刚石薄膜的好方法。在微波CVD装置中,极高频率的微波电场将使气体放电产生等离子体。等离子体中电子的快速往复运动进一步撞击气体分子,使得气体分子分解为H*和各种活性基团。这些大量的原子氢和活性的含碳基团是用低温低压的CVD方法沉积金刚石所必需的。
【总页数】2页(P87-88)
【作 者】张以忱
【作者单位】东北大学
【正文语种】中 文
【中图分类】O484;TB43
【相关文献】
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化学气相沉积法
化学气相沉淀法
摘要：
化学气相沉积Chemical vapor deposition,简称CVD；是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。CVD技术可以生长高质量的单晶薄膜，能够获得所需的掺杂类型和厚度，易于实现大批量生产，因而在工业上得到广泛的应用。工业上利用CVD制备的外延片常有一个或多个埋层可用扩散或离子注入的方式控制器件结构和掺杂分布;外延层的氧和碳含量一般很低。但是CVD外延层容易形成自掺杂，要用一定措施来降低自掺杂。CVD生长机理很复杂，反应中生成多种成分，也会产生一些中间成分，影响因素有很多，如:先躯体种类:工艺方法Levi,Devi,Pend;反应条件温度，压力，流量;触媒种类:气体浓度;衬基结构;温度梯度;炉内真空度等外延工艺有很多前后相继，彼此连贯的步骤。
关键词：
化学气相沉淀积，薄膜，应用，工艺
正文：
原理：将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成--种新的材料，沉积到基体表面上。反应物多为金属氯化物，先被加热到一定温度，达到足够高的蒸汽压，用载气一般为Ar或H2送入反应器。如果某种金属不能形成高压氯化物蒸汽，就代之以有机金属化合物。在反应器内，被涂材料或用金属丝悬挂，或放在平面上，或沉没在粉末的流化床中，或本身就是流化床中的颗粒。化学反应器中发生，产物就会沉积到被涂物表面，废气多为HC1或HF被导向碱性吸收或冷阱。除了需要得到的固态沉积物外，化学反应的生成物都必须是气态沉积物本身的饱和蒸气压应足够低，以保证它在整个反应、沉积过程中都一直保持在加热的衬底上。反应过程:1反应气体向衬底表面扩散2反应气体被吸附于衬底表面3在表面进行化学反应、表面移动、成核及膜生长4生成物从表面解吸5生成物在表面扩散。所选择的化学反应通常应该满足:①反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或有很高的蒸气压，且有很高的纯度:②通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层:③反应易于控制在沉积温度下，反应物必须有足够高的蒸气压。
MPCVD法AlN基体上金刚石薄膜的制备
第３３卷第１期 ２０１１年Ｏ１月 武汉工程大学学报 Ｊ． Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ． Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．１ Ｊａｎ． ２０１１
文章编号：１６７４—２８６９（２０１１）０１—００５４—０４
ＭＰＣＶＤ法Ａ１Ｎ基体上金刚石薄膜的制备
湛玉龙，付秋明，马志斌
（武汉工程大学材料科学与工程学院，武汉工程大学湖北省
等离子体化学与新材料重点实验室，湖北武汉４３００７４）
摘 要：以丙酮和氢气作气源，采用微波等离子体化学气相沉积法（ＭＰＣＶＤ）在Ａ１Ｎ表面制备金刚石薄膜，并 通过拉曼光谱（Ｒａｍａｎ），扫描电子显微镜（ＳＥＭ）对沉积得到的金刚石薄膜进行表征．研究表明：直接在Ａ１Ｎ 表面沉积因金刚石的形核密度很低而很难得到连续的金刚石薄膜．利用金刚石微粉研磨Ａ１Ｎ表面有利于金 刚石形核密度的提高，Ｒａｍａｎ分析和电镜观察发现：所得的金刚石薄膜存在杂质和缺陷，没有明显的刻面特 征，而且是由粒径较大的球状颗粒堆积而成． 关键词：ＡｌＮ；金刚石薄膜；丙酮；ＭＰＣＶＤ 中图分类号：Ｏ４８４．１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ．ｉｓｓｎ．１６７４—２８６９．２０¨．０１．０１４
０ 引 言
金刚石具有带隙宽（Ｅ 一５．４ ｅＶ）、载流子迁
移率高、介电常数低、抗辐射性强、电子饱和速度
高、低热膨胀系数和高的热导率（为铜的５倍）等
极其优异的物理化学性能，在机械、光学、声学及
半导体领域具有广阔的应用前景Ｉ１ ］，这也使得金
刚石可以制成在高温、强辐射等恶劣环境下工作
的大功率半导体器件．大多数半导体光电子器件
都是以声一ｎ结为基本结构，而天然金刚石并没有
明显的表现出 型导电特性．宽带隙难以实现有
效的两极掺杂，现在 型掺杂金刚石薄膜的制备
还有很大困难，而且制备出来的 型掺杂金刚石
薄膜的电阻率也难以达到制作器件的要求，而户
型掺杂金刚石薄膜却有较大的发展．通过掺硼不
但能有效实现金刚石薄膜的高质量稳定Ｐ型掺
掺硼多晶金刚石膜电极的电化学研究
第３２卷第１２期 ２０１０年１２月 武汉工程大学学报 Ｊ． Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ． ＶｏＩ＿３２ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ． ２Ｏ１Ｏ 文章编号：１６７４—２８６９（２０１０）１２—００６９—０４ 掺硼多晶金刚石膜电极的电化学研究 陈 朋 ，满卫东ｈ ，吕继磊 ，朱金凤 ，董 维 ，汪建华 （１．武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，湖北武汉４３００７４； ２．武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室， 湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室，湖北武汉４３００７４） 摘要：通过ＭＰＣＶＤ法在高掺杂硅衬底上生长掺硼金刚石膜（ＢＤＤ），并用四探针，扫描电镜，激光拉曼，电化 学工作站对其进行了检测，发现所制备的掺硼金刚石膜电导率达１Ｏ Ｑ・ｃｍ，同时发现金刚石膜质量因硼原 子的掺人而有所下降，采用循环伏安法研究其电化学性质，结果表明，与Ｐｔ电极相比（１．８Ｖ和一ｉ×ｉ０ ～ ３×１Ｏ Ａ），ＢＤＤ具有很宽的电化学窗口（～３．２ Ｖ），较低的背景电流（一３×１Ｏ ～２×１Ｏ Ａ），在铁氰化钾 电解液中，表面所进行的电化学反应具有较好的准可逆性，在对有机物苯酚的催化氧化检测中发现：与Ｐｔ电 极相比，ＢＤＤ电极氧化能力强，且氧化产物简单、彻底，因此可以作为一种理想的电极材料． 关键词：化学气相沉积；掺硼金刚石膜；电化学；循环伏安法 中图分类号：Ｏ４７２；０６４６ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—２８６９．２０１０．１２．Ｏ１７ ０ 引 言 金刚石具有许多优异的性能，金刚石一般情 况下是良好的绝缘体，室温下电阻率达 １Ｏ Ｑ・ｃｍ，对其进行掺杂可成为半导体材料，可 用于制作高温、高频、高功率等器件【１］．随着硼含 量的增加，金刚石膜由绝缘体变为半导体、导体， 甚至出现超导性质＿２ ］．重掺杂金刚石膜具有良好 的导电性，电阻率可达１Ｏ Ｑ・ｃｍ，完全可以用作 电极材料，金刚石具有低的背景电流，高的信号背 景比和信号噪音比；抗腐蚀性强，几乎能耐所有的 强酸强碱的腐蚀；表面不易产生吸附，是一种清洁 的电极材料 ］．基于这些特性，在电解处理有机 污水处理领域 ，金刚石完全可以成为新一代高 效节能环保的电极材料．但是也存在较多的影响 因素：不同制备方法对掺硼金刚石膜质量和性能 的影响；不同的生长及掺杂工艺对掺硼金刚石膜 的电化学的影响；不同导电性的基底材料对金刚 石膜使用寿命及电化学性能的影响等． 本文采用大功率（５ ｋｗ）微波等离子体化学气 相沉积（ＭＰＣＶＤ）系统在高电导率的硅基底上制 备掺硼金刚石膜，并且经氢等离子体退火处理后 做成电极，对电极的表面形貌、金刚石质量及电化 学性能进行了测试，并以Ｐｔ电极做对比测试了对 苯酚有机物在电极上的电化学行为． １ 实验部分 １．１金刚石膜电极的制备 实验中采用大功率（５ ｋｗ）微波等离子体化学 气相沉积系统‘一“］（ＭＰＣＶＤ）在硅片上生长掺硼金 刚石来制备金刚石膜电极．选择高掺杂硅基片，硼 烷为硼掺杂源．用金刚石研磨膏对硅基片进行划 痕处理，并用丙酮清洗后放入真空反应室中．为了 提高金刚石膜的导电性能，在形核和生长过程中 均通入一定流量的硼烷（硼烷浓度：被氢气稀释为 １／１ ｏｏｏ），生长条件如表１．实验过程中掺硼金刚 石膜的平均沉积速率达Ｏ．６／￣ｍ／ｈ左右． １．２ 金刚石膜电极的电化学性质测定 实验采用三电极电化学测量体系，ＢＤＤ电极 为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为 参比电极，在电化学测试系统上进行循环伏安测 试研究，实验中所配制的溶液全部使用去离子水 配制．以１ ｍｏｌ／Ｌ的Ｈ。ＳＯ 溶液为介质，扫描电压 范围为一２ Ｖ～３ Ｖ，扫描速率为５０ ｍＶ／ｓ． ａ．以１ ｍｏｌ／Ｌ Ｈ ＳＯ 溶液为介质测试金刚 石膜电极及Ｐｔ电极的电势窗口和背景电流； 收稿日期：２０１０—０７—２６ 基金项目：湖北省自然科学基金（２００８ＣＤＢ２５５）；湖北省教育厅Ｑ２ＯＯ８１５ｏ５项目的支持 作者简介：陈朋（１９８５一），男，山西长治人，硕士．研究方向：微波等离子体制备掺硼金刚石膜及其应用． 通讯作者：满卫东，男，博士，副教授．研究方向：微波等离子体制备金刚石膜及其应用．
金刚石膜的应用以及制备方法
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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
cvd法合成金刚石分类
cvd法合成金刚石分类
CVD法合成金刚石
金刚石是一种优质的材料，具有极高的硬度、导热性和化学稳定性，被广泛应用于工业领域。其中，化学气相沉积（Chemical Vapor
Deposition，CVD）是一种常用的方法来合成金刚石。本文将介绍CVD法合成金刚石的原理、过程和应用。
一、CVD法合成金刚石的原理
CVD法合成金刚石的基本原理是在高温、高压的环境中，利用化学反应使碳原子在衬底表面上沉积，形成金刚石晶体。具体来说，CVD法合成金刚石的过程包括以下几个步骤：
1. 基底处理：选择适合的基底材料，如金刚石膜、石英、硅等。对基底进行预处理，如去除表面杂质、提高表面平整度等，以便于金刚石的生长。
2. 反应气体：一般采用含有碳源的气体作为反应气体，如甲烷、乙烷等。同时，还需要添加一些辅助气体，如氢气、氮气等，以调节反应气氛、控制生长速率等。
3. 反应装置：CVD法合成金刚石的反应装置一般包括石英管、加热炉、真空泵等。在高温、高压环境下，将反应气体引入石英管中，通过加热使其发生化学反应。
4. 生长过程：在石英管内，碳源气体与辅助气体在基底表面上发生反应，释放出碳原子。这些碳原子会在基底表面扩散并沉积，逐渐形成金刚石晶体。
5. 控制参数：金刚石生长的质量和形貌受到多种参数的影响，如反应温度、气体流量、反应时间等。通过调节这些参数，可以控制金刚石生长的速率和质量。
二、CVD法合成金刚石的应用
CVD法合成的金刚石具有很高的纯度和均匀性，广泛应用于多个领域。
1. 切削工具：金刚石是一种理想的切削工具材料，用于加工高硬度材料，如金属、陶瓷等。CVD法合成的金刚石具有均匀的结构和优异的切削性能，能够提高切削效率和工件质量。
2. 磨料材料：金刚石磨料具有极高的硬度和耐磨性，可用于制作砂轮、磨粉等磨料工具。CVD法合成的金刚石磨料具有高纯度和均匀性，能够提高磨削效率和加工精度。
3. 电子器件：金刚石具有优良的导热性和电绝缘性能，可用于制作高功率电子器件，如高功率晶体管、高功率二极管等。CVD法合成的金刚石薄膜具有均匀的厚度和良好的质量，能够提高器件的性能和可靠性。
mpcvd生长金刚石原理
mpcvd生长金刚石原理
MPCVD是微波等离子体化学气相沉积（Microwave Plasma
Chemical Vapor Deposition）的缩写，它是一种用于生长金刚石薄膜的技术。该技术利用微波等离子体来提供能量，以促进气相中碳源的分解并在衬底表面沉积金刚石薄膜。
生长金刚石薄膜的原理涉及到多个方面。首先，MPCVD过程中，通过在反应室中引入气体（通常是甲烷和氢气混合物），然后利用微波功率产生等离子体。这些等离子体中的离子和激发态的原子提供了活化能，使得气相中的甲烷分解成碳原子并在衬底表面沉积。同时，氢气在反应中起到了清洁表面和氢化副产物的作用。
其次，金刚石薄膜的生长还受到反应室内温度、压力、气体流速等参数的影响。通过控制这些参数，可以调节金刚石薄膜的生长速率、结晶质量和取向等特性。
此外，MPCVD技术还涉及到衬底表面的制备和预处理，以确保金刚石薄膜能够在其上均匀生长并具有良好的结晶质量。
总的来说，MPCVD生长金刚石薄膜的原理是利用微波等离子体激活气相中的碳源，使其分解并在衬底表面沉积，同时通过控制反应条件和衬底表面状态来实现对金刚石薄膜生长过程的控制和优化。
硼掺杂对金刚石薄膜的表面形貌、质量影响的研究
◇高教论述◇ 科技圈向导 ２０１２年第２６期
硼掺杂对金刚石薄膜的表面形貌、质量影响的研究
石晓林
（吉林工商学院吉林长春１３００６２）
【摘要】利用微波等离子体化学气相淀积法在硅基片上合成硼掺杂金刚石薄膜。Ｂ２０，从１０００ｐｐｍ到５０００ｐｐｍ的不同浓度对场发射性能 影响的研究。通过扫描电镜和拉曼光谱表征了薄膜的表面形貌和质量。通过ＳＥＭ显示随着Ｂ Ｏ 浓度的增加，纳米金刚石颗粒的表面形貌从表
面覆盖纳米颗粒的方面微晶到菜花形。说明少量的硼有利于提高金刚石膜的质量，随着硼浓度进一步升高，由于硼掺入引起的晶格畸变而导致
品质下降。
【关键词】ＣＶＤ金刚石；硼掺杂
Ｏ．引言
在过去的２０年里．对ＣＶＤ金刚石膜的合成进行了大量的表征和
应用的研究 作为场发射材料在其他半导体材料选择中．具有独特理 化性质化学气相沉积法得到金刚石薄膜呈现出史无前例的优势 。微
晶金刚石薄膜的场电子发射已经被广泛的研究．并且已经提出各种模 型来解释电子发射机制［５－６１ 许多研究者已经获得相关了工艺参数．金
刚石质量和后续处理在ＣＶＤ薄膜ＦＥＥ参数上的影响 为提高ＦＥＥ性
能的尝试中发现．在表面／主体的条件下．在金刚石晶格中杂质的原位 掺杂中．硼和氮是首选的
１．实验细节 利用微波等离子体化学汽相淀积法在硅基片上合成硼掺杂ＮＣＤ
膜。合成的详细方法和过程在别处谈论。在经金刚石粉末处理后，Ｐ型
镜面光滑硅基底用＃４００一＃８００砂纸和０．３１．ｚｍ氧化铝粉末机械抛光 随
后基片放人丙酮中利用超声波清洗．并放人２．４５ＧＨｚ微波的石英管 （微波反映装置）中通过一个波导管。在目前的研究中，氢气被用来做
运输者和反应气体。硼源被引入到反应装置中通过Ｂ２０ ，丙酮和甲醇
的混合。混合物也充当硼掺杂ＮＣＤ沉积的碳源。为了研究硼掺杂在场发射 性能上的影响，利用在混合物中不同Ｂ Ｏ 浓度（１０００２０００ ａｎｄ ５０００ｐｐｍ１
合成金刚石膜 实验条件在表１中显示 表１用于合成的掺硼ＭＰＣＶＤ方法的纳米金刚石薄膜的实验参数