纳米金刚石薄膜的制备
微_纳米复合金刚石薄膜的制备与性能研究
分磨至基体 ;复合膜未完全磨至阳极氧化膜层 ,还布有 一定厚度的固体润滑膜 。因此 ,对比阳极氧化膜 ,其耐 磨寿命至少延长至 2倍以上 。
从以上分析结果看 ,固体润滑膜粘结阳极氧化膜 后 ,固体润滑膜不仅显著降低了阳极氧化膜的摩擦系 数及对偶件的磨损量 ,而且有效提高了阳极氧化膜的 耐磨性 。这与该固体润滑膜中纳米 A l2 O3颗粒及二硫 化钼基的协同作用有关 [ 8 ] : 二硫化钼基的润滑作用有 效地降低了阳极氧化膜摩擦系数及对偶件的磨损量 。 高表面活性纳米 A l2 O3粉材颗粒的加入与固体润滑干 膜中有机成分相结合 ,均匀分散于涂层表面 ,这样在软 基体上弥散分布了无数硬质点 ,发挥了纳米 A l2 O3颗粒 优良的抗磨性能 ,提高了膜层的耐磨性和抗挤压能力 。 纳米颗粒的高表面活性使其与基体的吸附能力和对润 滑膜中有机分子的亲和力增强 ,使膜的强度提高 ,抗剥 离性能增强 。
1. 2
0. 8
A r流量 / ( cm3 ·m in - 1 )
0
40
1. 1 预处理
选用 10 mm ×10 mm ×200 μm 的纯铜片作基体 , 首先对其进行表面预处理 ,具体流程如下 :抛光 →丙酮 溶液中超声清洗 30 m in→去离子水清洗 →10%稀硫酸 中浸泡 12 h→去离子水清洗 →过渡层镀膜处理 。过渡 层的制备用 C 2S磁控溅射仪 ,先后溅射三种金属钛 、 铝 、钼 ,具体流程如下 :溅射电流 1 A ,温度 300 ℃,钛层
从图 3e可以看出 ,复合金刚石薄膜是由形貌不同 的微米级小块拼合在一起而形成的 ,而这些微米级的 小块又是由尺寸为 10 ～15 nm 的晶粒组成的 ,其高倍 SEM 形貌见图 4。从图 4可以看出 ,它的表面看起来非 常平整 。于是 ,这些细小的纳米颗粒覆盖住微米级别 的金刚石颗粒 ,聚晶形成了微米级别平滑的小块 ,再由 这些小块结合成较为平坦的薄膜 。
-纳米金刚石薄膜
纳米金刚石薄膜摘要纳米金刚石膜的研究已经成为CVD 金刚石膜研究领域的一个新的热点。
本文重点阐述了纳米金刚石薄膜的制备、表征以及它的性能和应用，最后引出其将来的应用前景。
关键词纳米金刚石薄膜，制备，表征，性能及应用Nanocrystalline diamond filmsABSTRACT Nanocrystalline diamond films have become a new ”hot point”in the development of diamond films prepared by chemical vapor deposition. This article mainly illustrates the preparation, indications , performance and applications about the nanodiamond film. Finally,po tential applications of these films are discussed.KEY WORDS nanocrystalline diamond films, preparation,characterization，property and applications1 引言金刚石是目前自然界中已知硬度最高的物质，在力学、热学、光学、电学和化学等方面拥有许多优异的性能。
但自然界中天然金刚石的含量却非常少，人工制备也比较困难，主要由于低压时金刚石是亚稳相，而石墨为稳相，长期以来，在经典热力学中似乎认为在低压下由石墨相制造金刚石是不可能的。
直到1970年前后，前苏联Deryaguin , Spitsyn和Fedoseev等成功地实现了低压条件下从石墨到金刚石的转变，并在1976年公开发表了非金刚石衬底上气相生长金刚石的美丽晶体照片，人们才改变了低压下不能合成金刚石的传统观点。
纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究
纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究纳米金刚石薄膜（nanodiamondfilm，NDF）是一种新型的纳米结构材料，具有特殊的电学、磁学、热学、光学性能。
由于其独特的电学性能，它被用来制备各种高端电子产品，如电容器、锂离子储存电池、电子器件和光电器件。
同时，由于NDF可以有效的过滤和吸收外部的紫外线，使得NDF可以用于汽车、船舶的结构材料以及电子设备的防护。
纳米金刚石薄膜的制备有多种方法，主要有溅射、热蒸发、沉积及其他方法。
溅射法是其中比较常用的一种，包括静电溅射、磁控溅射和离子溅射等。
这些方法在原始纳米金刚石颗粒的表面构建自组装的自组织纳米金刚石薄膜。
而热蒸发法则是利用热蒸发装置将原料蒸发，然后将原料蒸发到基片上，形成纳米金刚石薄膜。
纳米金刚石薄膜的场电子发射性能是其功能特性中的一个重要性质。
研究表明，当金刚石薄膜构建在铂基片上时，场电子发射性能极低，但是如果利用其他方法，如热蒸发或溅射，将原料蒸发到基片上，构成纳米金刚石薄膜时，发射特性会有明显的改善，有较高的场电子发射效率。
当纳米金刚石薄膜构建在基片上时，铂基片上的孔径缩小，发射特性得到了改善，使发射效率更高。
此外，研究表明，在离子溅射NDF的发射性能会达到更高的水平，并且有显著的改善。
而热蒸发NDF也可以获得良好的发射性能，其发射效率可以高达70%。
总的来说，纳米金刚石薄膜是一种具有多种功能的新型结构材料，具有独特的电学和光学性能，其场电子发射性能也非常出色，适合制备各类电子产品。
目前，研究人员正在不断改进其制备工艺和性能，以期获得更高效率的发射特性。
由于纳米金刚石薄膜的用途越来越广泛，其研究和发展也有十分重要的意义，以满足市场的需求。
未来，研究人员将继续开展研究，对其制备及场电子发射性能进行进一步的改进，以提高其性能，满足市场的需求。
纳米金刚石薄膜的制备机理及其机械性能研究
2016年3月刊【摘要】金刚石在力学、热学、电学、化学等方面有着重要的性能，而且金刚石在当前条件下是硬度最高的物质，在实际的生活和生产中均发挥着重要作用，但是由于天然的金刚石数量有限，人们需要通过不同的方法去制备人工金刚石。
本文主要探讨的是纳米金刚石薄膜的制备机理及其机械性能研究问题，在具体的探讨过程中首先从纳米金刚石的概述入手去分析，其次对纳米金刚石膜的制备工艺进行了研究分析，最后分析了纳米金刚石薄膜的机械性能。
【关键词】纳米金刚石薄膜；制备机理；机械性能；研究分析金刚石在实际的生活和生产中有着重要的应用价值，鉴于天然金刚石含量较少，许多学者通过深入研究分析得到了人工金刚石的制备方法，在当前条件下，微米金刚石膜的制备工艺取得了重要进展，但是在实际的应用过程中人们发现，微米金刚石表面相对较为粗糙，应用范围有限，同时由于微米金刚石内部存在的缺陷导致其实际性质发生了改变，这样人们又开始深入研究纳米金刚石薄膜的制备，本文主要就纳米金刚石薄膜的制备机理及其机械性能研究分析如下：一、纳米金刚石概述随着纳米技术以及微机电系统的进一步发展，为纳米金刚石薄膜的研究提供了基础保障，纳米金刚石材料由于其颗粒较小，已经达到了纳米级别，所以由其制成的纳米金刚石无论是在尺寸方面还是在相关的性能表现方面，均有了重要改善。
微米金刚石薄膜的晶粒尺寸大约是几十微米，但是纳米金刚石薄膜的晶粒尺寸可以达到３—２０纳米，微米金刚石薄膜的表面比较粗糙，但是纳米金刚石的表面粗糙度小于０．４８，此外，纳米金刚石薄膜的摩擦系数也减少了，正是基于以上的诸多优点，纳米金刚石在众多的行业领域都有重要的应用价值，比如在刀具涂层、电化学工业、光学保护膜等。
二、纳米金刚石膜的制备工艺研究分析纳米金刚石薄膜在制备过程中通常采用的是化学气象沉积法制备，其基本原理为混合含碳的氧气以及过饱和的氢气，然后通过某种方法实施活化，然后在规定的气体成分、衬底温度、活化能能量等相关条件下，在衬底表面逐渐的形成金刚石薄膜，从而完成人工金刚石薄膜的制备。
纳米金刚石薄膜的制备与应用综述
纳米金刚石薄膜的制备与应用综述作者：李育凌来源：《科技风》2019年第05期摘要：本文根据前人的研究，从制备方法，制备过程中的影响因素及应用等方面对纳米金刚石薄膜的相关特性做了总结。
关键词：纳米金刚石薄膜;制备;应用1 纳米金刚石薄膜（纳米金刚石）的制备1.1 主要制备方法1.1.1 HFCVD法热丝化学气相沉积（HFCVD）法沉积金刚石膜，主要是将含有碳源的反应气体通过热丝产生的大于2000℃的高温，热解为活性基团，通过活性基团的相互作用形成sp3键型的金刚石相，同时被离化的原子氢将对基片上sp2键型的石墨相进行刻蚀，在基片表面最终形成sp3键型的金刚石相，最后在在经过金刚石微粉研磨处理后的硅片上沉积出结构致密、质量良好的纳米金刚石薄膜。
1.1.2 MPCVD法在微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法中，微波源产生的微波通过波导耦合并穿过绝缘窗口（通常为石英）进入反应腔体放电，同时将含有碳源的反应气体通入腔体，腔体中，气体分子的电子在吸收微波能量生成反应活性基团，通过活性基团的相互作用在等离子体球的基片表面沉积得到金刚石薄膜。
1.1.3 直流电弧等离子体CVD法在直流电弧等离子体CVD法利用直流放电产生等离子体，等离子体和含有碳源的反应气体作用，在衬底上沉积出金刚石薄膜。
在该过程中，等离子体的自加热效应将衬底加热，并可以通過调节放电电流来调节衬底的温度。
由于放电区域较大，该方法制备的纳米金刚石薄膜的均匀性非常好。
1.2 制备过程中的影响因素1.2.1 生长时间对纳米金刚石薄膜微结构的影响在其他条件相同的情况下，生长时间越长，纳米金刚石薄膜的厚度越大。
厚度的增加会导致薄膜中纳米金刚石晶粒尺寸减小、非晶态石墨团簇尺寸增大、有序度提高。
另外，薄膜后幅增加还会导致sp2碳团簇数量增多或尺寸变大，即薄膜表面颗粒大小和金刚石含量无较大变化，但金刚石晶粒大小会不断减小。
因此，薄膜厚度增加会使晶界的导电网络密度变大，对其的导电性有明显影响。
微米及纳米金刚石薄膜的制备及其组织性能研究
金刚石薄膜的制备采用 MPCVD 法，纳米金 刚石薄膜的制备通过调整气体流量等参数获得 的，具体工艺参数如表 1 所示。
表 1 金刚石薄膜的制备工艺 Table 1 Deposition parameters of diamond films
2 试验结果与分析
2.1 薄膜的表面形貌 图 1 分别是微米金刚石膜和纳米金刚石膜
摘 要：采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法在铜衬底上沉积了微米和纳米两种金刚石薄膜，
过 渡 层 均 为 钛 － 铝 － 钼 。 用 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜 （FESEM） 观 察 薄 膜 的 表 面 及 断 面 形 貌 ， 用 拉 曼
（Raman）光 谱 测 量 所 得 金 刚 石 薄 膜 的 质 量 ，利 用 压 痕 法 测 试 了 所 得 薄 膜 的 附 着 性 能 ，研 究 结 果 表 明 ：过 渡
Abstract:Micro/nano diamond films were prepared by microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) on Cu substrate
with Ti -Al -Mo as an interlayer.The surface and cross -section morphologies were observed by FESEM, and Raman spectroscopy was used to analyze the as -deposited diamond films. The adhesion between substrate and as -deposited film was examined by way of indentation, and the results showed that the Ti-Al-Mo interlayer can enhance the adhesion effectively. In addition, the Ar gas in reaction atomosphere can accelerate the formation of nanofilms ， thus improving the film surface roughness .
纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究
纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究纳米科技发展迅速，而纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究历来受到关注。
在不断探索的过程中，纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究被证明可以改善宏观性能，优化整体质量。
因此，纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究成为当前备受关注的研究趋势，以解决特定应用中所面临的问题。
纳米金刚石薄膜的制备
纳米金刚石薄膜的制备，主要采用催化剂法进行质子交换。
催化剂可以改变表面性质，使碳原子发生侧链折叠，并形成多种形状的纳米金刚石。
根据应用，纳米金刚石薄膜的制备需要采用碳气化学气相沉积（CVD）方法，在特定的催化剂表面上形成纳米金刚石薄膜。
通常，铂催化剂通常被用作CVD制备纳米金刚石薄膜的催化剂，因为铂能够有效地提高反应活性，并形成狭窄的纳米金刚石粒度，可以用于最小尺寸的纳米金刚石薄膜制备。
场电子发射特性
纳米金刚石薄膜具有良好的场电子发射特性，可以用于改善电子器件功能。
当电压超过一定水平时，纳米金刚石薄膜可以向外发射大量电子，从而实现准确的控制。
电子场发射的效率依赖于质子交换缺陷，这些缺陷可以通过改变催化剂的类型、浓度和温度来控制。
结论
纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究是纳米科技发展中一个重要的研究方向。
纳米金刚石薄膜可以采用催化剂法进行质子交换
形成，并具有良好的场电子发射特性。
这些特性为改善电子器件功能提供了可能，并可以优化整体质量。
因此，纳米金刚石薄膜的制备及场电子发射研究有望有助于不断推动纳米科技的发展，实现应答技术进步的崭新面貌。
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・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)0520625203T he fab rication of nano2di amond substrate for SA W d evice in high frequ ency and pow erY 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 eyLab.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 polishedSi 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 charac2terized.It is found that the film has uniform particle size and the average size,of diam ond particles is about20nm.Accordingto the XRD spectrum,the film is cubic structure(111)diamond.And the only allowed Raman band in the first2order dia2m ond spectrum near1332cm-1decreases and can′t be observed in the micro2Raman spectrum of the film.Three Ramanband 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 deposition1 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@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 thinfilm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 onds 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)。