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超納米金剛石薄膜的性能和制備及應(yīng)用
標(biāo)簽: 金剛石真空鍍膜
2014-08-15  閱讀

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  超納米金剛石具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì),化學(xué)氣相沉積法制備超納米金剛石膜近年來引起了該領(lǐng)域相關(guān)研究人員的極大關(guān)注。文章對(duì)超納米金剛石與其他CVD 金剛石的性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)超納米金剛石的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述,著重分析了各種化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備超納米金剛石的基本原理、特點(diǎn)及取得的研究成果,z*后詳細(xì)討論了超納米金剛石的應(yīng)用和今后研究方向。
  
  引言
  
  CVD 金剛石具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。隨著研究學(xué)者不懈探索和努力,CVD 金剛石技術(shù)已經(jīng)取得了許多可喜的研究進(jìn)展及成果,并在此研究領(lǐng)域產(chǎn)生了一個(gè)新的技術(shù)名詞———超納米金剛石。超納米金剛石( ultrananocrystalline diamond,UNCD) 是指晶粒尺寸小于10nm 以下的納米金剛石,以此區(qū)別其他粒徑在幾十納米至幾百納米級(jí)金剛石。由于其晶粒小( z*低可至2 nm) ,晶界比例高,在量子尺寸效應(yīng),小尺寸效應(yīng),表面效應(yīng),界面效應(yīng)等更加明顯,再加之超納米金剛石沉積溫度相對(duì)較低,內(nèi)應(yīng)力小,附著力好,摻雜特性好,在力學(xué),聲學(xué),光學(xué),電學(xué)方面的一些性能更加優(yōu)越,人造金剛石越來越接近和滿足工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用要求。
金剛石薄膜性能制備及應(yīng)用

金剛石薄膜性能制備及應(yīng)用
  
  1、超納米金剛石薄膜的特性
  
  超納米金剛石晶粒極小,晶界比例可大于20%,非晶碳和石墨相含量也相對(duì)于納米金剛石及微米金剛石較高,因此表現(xiàn)出不一樣的使用性能:在力學(xué)性能方面超納米金剛石( UNCD) 和微米級(jí)金剛石( MCD) 的硬度相似,抗磨損性能好,但卻具備優(yōu)于普通納米級(jí)金剛石( NCD) 的韌性,斷裂強(qiáng)度極高,并且超納米金剛石( UNCD) 晶粒尺寸小且均勻,致密度高,表面光滑性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于MCD 和UNCD; 在聲學(xué)和光學(xué)方面,UNCD 的縱聲波傳播速率和紅外透過率也z*大; 在熱學(xué)和電學(xué)方面,UNCD 的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性都可以在幾個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)變化,場(chǎng)電子發(fā)射閾值相對(duì)較低。此外,UNCD 還具有黏滯性低,化學(xué)惰性好,生物兼容性好的特點(diǎn)。
  
  2、超納米金剛石薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理及制備
  
  上世紀(jì)90 年代美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室( Argonne National Laboratory,USA) 的Gruen 帶領(lǐng)的研究組采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置( MPCVD) ,利用在氬氣激發(fā)的等離子體中通入少量C60作為碳源,在800 ℃條件下s*次制備出超納米金剛石膜,晶粒尺寸只有3 ~5nm。與普通NCD 和MCD 的制備條件不同,UNCD 主要以C60、CH4、CO2,C2H2等為碳源,在惰性氣氛( N2、Ar、He) 環(huán)境下制備。目前,UNCD 膜的制備方法除微波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)外,還包括熱絲化學(xué)氣相沉積法( HFCVD) ,直流電弧等離子體化學(xué)氣相沉積法( DC Arc PlasmaJet CVD) 法等。
  
  2.1、超納米金剛石薄膜生長(zhǎng)機(jī)理
  
  化學(xué)氣相沉積UNCD 機(jī)制方面,與傳統(tǒng)CH4 /H2中制備NCD 和MCD 的甲基生長(zhǎng)機(jī)制不同,C2被認(rèn)為是生長(zhǎng)UNCD 的主要基團(tuán),在貧氫富氬條件下( 以CH4 /Ar 為例) ,Ar 和CH4吸收微波能量后碰撞電離生成Ar + 和C2H2,z*終生成C2基團(tuán)。
  
  C2植入襯底表面的C - H 鍵需要能量極低( 約6 kcal /mol) ,C2基團(tuán)嵌入式生長(zhǎng)不再需要原子氫轟擊襯底表面形成懸掛鍵從而產(chǎn)生生長(zhǎng)位以吸附和生長(zhǎng)金剛石有關(guān)的基團(tuán),因此可在無氫氣氛環(huán)境下進(jìn)行。且不會(huì)像在CH4 /H2生長(zhǎng)MCD 那樣: 大量原子氫在刻蝕石墨相的同時(shí)也對(duì)金剛石相刻蝕( 約為刻蝕石墨相速率的1 /50) ,導(dǎo)致制備的金剛石膜中易形成晶格間隙和柱狀結(jié)構(gòu),從而使得薄膜宏觀表現(xiàn)出較大的殘余壓應(yīng)力,膜層附著力差,表面粗糙度大。UNCD 的C2基團(tuán)嵌入式生長(zhǎng)機(jī)理中,C2濃度越高,二次形核率越高,即使在低溫條件下生長(zhǎng)速率也較快,再加上等離子體中原子氫數(shù)目少,刻蝕效果不明顯,制備出的金剛石晶粒極小,內(nèi)應(yīng)力小,致密度高。
  
  4、結(jié)論
  
  化學(xué)氣相沉積法制備超納米金剛石膜自問世以來在近20 年的發(fā)展中取得了一定的成果,然而要想實(shí)現(xiàn)超納米金剛石在力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域更好發(fā)揮其優(yōu)異的性能,還必須解決很多相關(guān)理論和工程實(shí)踐問題,如: 貧氫條件下異質(zhì)外延生長(zhǎng)金剛石機(jī)理不夠深入,低溫下沉積缺陷和雜質(zhì)不能有效控制,制備的超納米金剛石導(dǎo)熱率普遍較低,生產(chǎn)成本太高等。未來在超納米金剛石的制備中須深入探討制備工藝對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的影響,統(tǒng)籌考慮工藝條件,器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求三者的關(guān)系,提升高功率MPCVD 生長(zhǎng)大面積高質(zhì)量超納米金剛石的技術(shù),才能早日實(shí)現(xiàn)其巨大價(jià)值的應(yīng)用。