纳米金刚石薄膜研究进展

本文对纳米金刚石薄膜的研究现状和发展趋势进行了综合评述，从纳米金刚石薄膜的沉积原理和工艺以及纳米效应表征等方面分析了国内外最新研究成果，比较了常规和纳米金刚石薄膜不同沉积工艺和形核生长机理，对纳米金刚石薄膜的硬度、内应力、摩擦特性等机械性能也作了概述，在此基础上，提出在常规金刚石薄膜基础上沉积纳米金刚石薄膜组成复合涂层的新方法。     

纳米金刚石薄膜制备的现状与展望

与微米金刚石薄膜不同，纳米金刚石薄膜晶粒度小，表面平滑。从发展水平来看，目前国内外纳米金刚石薄膜的研究，还处于基础性研究阶段，纳米金刚石薄膜的应用刚刚起步，距产业化还有较大距离。但是，由于纳米金刚石薄膜具有众多的优异性能，正因为如此，可望在众多的高技术领域中得到广泛应用。     

纳米薄膜X射线吸收光谱的鉴定

采用X射线吸收光谱研究了热丝化学气相沉积(CVD)合成的纳米金刚石薄膜和脉冲激光沉积的纳米SiC薄膜.结果表明:纳米金刚石薄膜的碳K边X射线吸收精细结构光谱显示的激发峰相当于微米金刚石薄膜的蓝移,是量子效应的显著特征,证明制备的是纳米金刚石薄膜,与高分辨透射电镜的结果完全吻合;纳米SiC薄膜的硅K边X射线吸收精细结构光谱和扩展X射线吸收精细结构光谱也显示了纳米薄膜短程有序的结构特征,表明获得的是纳米SiC薄膜.     

纳米金刚石在润滑技术中的应用

纳米金刚石比表面积大、吸附能力强及其球状或准球状的结构，对其在润滑技术中的应用具有特殊的技术作用，纳米金刚石在润滑技术的应用，不仅显示出明显的技术经济价值，而且对润滑理论的创新将提供技术依据。本文对开展纳米金刚石在润滑技术中应用的意义，薄膜润滑技术的内涵，纳米金刚石颗粒对薄膜润滑性能的影响，纳米金刚石改性发动机油的应用特性，以及不同添加剂润滑特性对比等做了必要的阐述。     

加工氧化锆陶瓷的金刚石涂层刀具的制备及切削试验研究

使用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在硬质合金片以及球头铣刀表面沉积了微米金刚石薄膜(MCD),纳米金刚石薄膜(NCD)以及微米纳米复合金刚石薄膜(MNCD),通过扫描电子显微镜和拉曼光谱对其进行表征,结果呈现出典型的金刚石薄膜的性质,沉积质量高。金刚石薄膜与氧化锆陶瓷的摩擦磨损实验表明:金刚石薄膜能有效地降低对磨时的摩擦系数以及磨损率。使用三种金刚石薄膜涂层铣刀对氧化锆陶瓷进行铣削加工试验,结果显示:金刚石涂层刀具磨损率大幅度降低,刀具寿命显著增强。     

硼源浓度对纳米金刚石薄膜掺硼的影响

目的研究纳米金刚石薄膜生长掺硼的内在机理,实现对该过程的精确控制。方法采用微波等离子体化学气相沉积法,以氢气稀释的乙硼烷为硼源,进行纳米金刚石薄膜的生长过程掺硼实验,研究硼源浓度对掺硼纳米金刚石薄膜晶粒尺寸、表面粗糙度、表面电阻和表面硼原子浓度的影响。结果随着硼源浓度的增加,纳米金刚石薄膜的表面粗糙度和晶粒尺寸增大,表面电阻则先下降,而后趋于平衡。结论纳米金刚石薄膜掺硼后,表面电导性能可获得改善,表面粗糙度和晶粒尺寸则会增大。在700℃条件下掺硼15 min,最佳的硼源浓度(以硼烷占总气体流量的百分比计)为0.02%。     

人造金刚石发展的动态

人工合成的金刚石是新材料家族中的佼佼者，其原因是金刚石拥有其它材料所不可比拟的众多综合优异特性。因此，几十年来一直为人们所关注。随着纳米技术的发展，纳米金刚石、金刚石薄膜和纳米金刚石薄膜的研制成功，其传奇的特性将得到极大的发挥。本文将已收集的信息汇集起来，也许能帮助读者对人工合成金刚石的发展最新动态有所了解。     

不同高浓度气体对金刚石薄膜制备的影响

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,分别制备了CH4/H2体系、CH4/H2/N2体系以及CH4/H2/Ar体系金刚石薄膜。主要采用了扫描电子显微镜(SEM)、激光拉曼光谱(Raman)和X射线衍射光谱(XRD)等方法对不同体系中制备的金刚石薄膜的晶粒尺寸及其品质进行了分析,研究了不同高浓度气体对金刚石薄膜的影响。结果显示:利用高浓度的甲烷可以在很大程度上细化晶粒,制备出纳米晶金刚石薄膜,但是薄膜的非晶相较多,品质下降;加入70%N2,薄膜中的金刚石晶粒生长速度较慢,但可制备出均匀的纳米晶金刚石薄膜;70%的Ar气氛中,金刚石晶粒生长较快,制得的薄膜中的金刚石晶粒是微米级别的。     

微晶/纳米金刚石复合涂层的沉积与表征

采用偏压增强热丝CVD(HFCVD)法,通过引入惰性气体Ar,在经过甲醇新预处理方法处理后的硬质合金衬底表面成功沉积了微晶/纳米金刚石复合涂层。对金刚石复合涂层的表面形貌、成分、表面粗糙度进行了分析和研究。研究结果表明:新的预处理方法能够提高金刚石薄膜与衬底之间的附着强度。Ar的引入使得金刚石薄膜二次形核率更高,颗粒也更加细小,纳米金刚石复合涂层不但具有高的附着强度,而且具有非常低的表面粗糙度。对于拓展纳米金刚石涂层在精密加工领域中的应用具有一定的作用。     

SiC基底HFCVD金刚石薄膜摩擦磨损性能

利用热丝化学气相沉积技术在碳化硅基底上制备微米金刚石薄膜、纳米金刚石薄膜和金刚石–石墨复合薄膜,采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪对不同金刚石薄膜的表面形貌和微观结构进行表征,通过摩擦磨损实验测试金刚石薄膜的摩擦系数并计算其磨损率,对比研究不同种类金刚石薄膜的摩擦磨损性能。结果表明:金刚石–石墨复合薄膜具有较好的摩擦磨损性能,薄膜表面粗糙度为53.8 nm,摩擦系数为0.040,和纳米金刚石薄膜（0.037）相当;金刚石–石墨复合薄膜的磨损率最低,为2.07×10?7 mm3·N?1·m?1。在相同实验条件下,同碳化硅基底的磨损率（9.89×10?5 mm3·N?1·m?1）和摩擦系数（0.580）相比,所有金刚石薄膜的磨损率和摩擦系数均有明显提升,说明在SiC基体表面沉积金刚石薄膜能够显著提高碳化硅材料在摩擦学领域的使役性能。      

甲烷体积分数对纳米金刚石薄膜形貌的影响

目的研究不同甲烷体积分数对纳米金刚石(NCD)薄膜生长的影响,实现较小晶粒尺寸、高平整度的NCD薄膜的制备。方法采用微波等离子体增强化学气相沉积的方法制备NCD薄膜,以CH4/H2为气源,在生长阶段控制其他条件不变的前提下,探讨不同甲烷体积分数对NCD晶粒尺寸、表面形貌以及表面粗糙度的影响。采用SEM、XRD等观测NCD薄膜的表面形貌和晶粒尺寸大小,并利用Raman对NCD薄膜的不同散射峰进行分析。结果随着甲烷体积分数的增加,薄膜晶粒尺寸有减小的趋势。甲烷体积分数较低时,晶形比较完整,但致密度较小;甲烷体积分数较高时,晶形杂乱无章,但致密度较好。当甲烷体积分数为9%时NCD薄膜平均粒径达到最小,为21.3 nm,表面粗糙度较好,但非晶金刚石成分开始大量生成,NCD薄膜质量开始变差;当甲烷体积分数为8%时其形貌最好,且此时最小表面粗糙度小于20 nm。通过Raman分析可知NCD薄膜中出现了硅峰和石墨烯特征峰。结论甲烷体积分数对NCD薄膜形貌有较大影响,甲烷体积分数为8%时是表面平整度由较差变好再逐渐变差的分界点,且平均晶粒尺寸为23.6 nm,薄膜表面具有较好的平整度。     

Plasma enhanced diamond deposition on steel and Si substrates

Diamond growth on Fe-Cr-Al-Si steel and Si substrates was comparatively investigated in microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (MPCVD) reactor with different deposition parameters. Adherent nanocrystalline diamond films were directly deposited on this steel substrate under a typical deposition condition, whereas microcrystalline diamond films were produced on Si wafer. With increasing CH4 concentration, reaction pressure, or the total gas flow rate, the quality of nanocrystalline diamond films ...     

强电流直流伸展电弧CVD纳米金刚石涂层微型工具

本文研制了强直流伸展电弧金刚石涂层沉积设备,它可产生长达400 mm的等离子体弧柱,可沉积金刚石涂层的区域大,能够在复杂形状硬质合金刀具上沉积金刚石涂层,有利于实现金刚石涂层硬质合金工具的产业化生产.在直径1 mm的微型铣刀上沉积了纳米金刚石涂层,研究了沉积压力对金刚石涂层组织的影响,沉积压力对金刚石涂层的晶粒尺寸和表面形貌有显著影响.随着沉积压力的降低,沉积的金刚石涂层晶粒尺寸减小,当沉积压力为0.80 kPa时,可沉积出纳米金刚石涂层.涂层的厚度均匀,其表面光滑、平整,且与硬质合金基体之间有较好的附着力.用激光Raman对金刚石涂层进行了表征.     

CO_2-CH_4沉积气氛中金刚石膜晶粒尺寸的控制研究

目的在无氢气沉积环境中研究CO_2与CH_4的流量比对金刚石膜生长及晶粒尺寸的影响规律。方法采用MPCVD技术,通过调控CO_2与CH_4的流量比,可控性地制备得到不同结构特征的金刚石膜,通过SEM、XRD以及Raman光谱对金刚石膜进行表征分析,获得CO_2与CH_4的流量比对金刚石膜晶粒尺寸的影响规律。结果在微波功率、沉积气压、基片温度和CH_4流量分别为1.2 k W、7.0 k Pa、850℃和50 mL/min的沉积环境下,当CO_2流量为20和25 mL/min时,可制备得到纳米金刚石膜;当CO_2流量为30和35 mL/min时,可制备得到微米金刚石膜;当CO_2流量为67 mL/min时,可获得金刚石颗粒。在保持其他工艺条件不变时,通过调控微波功率分别为0.9、1.4和1.8 k W,金刚石膜的晶粒尺寸随CO_2/CH_4的变化可分为:纳米金刚石膜区(CO_2/CH_4<50%)、微米金刚石膜区(CO_2/CH_4>60%)及纳米-微米过渡区(50%相似文献   

Influence of surface topography of HF-CVD diamond films on self-mated planar sliding contacts in dry environments

Surface roughness of self-mated CVD diamond coatings have a decisive effect on coefficient of friction (COF) and wear especially under dry ambient conditions. Therefore diamond films with four different grain size domains were deposited onto silicon carbide front faces and tested in unlubricated planar sliding contacts. In accordance to the different growth morphologies, the roughness of the coarsest diamond films is about four times higher in average than that of the nanocrystalline films. The diamond film quality, expressed in terms of sp³-hybridised diamond fraction, decreases from nearly 100% to about 73% with falling grain size due to an increase in grain boundaries. The topography of the respective diamond coatings differs also considerable. While the coarse-grained films exhibit a pronounced wedge shape and a strong two-waviness, the fine-grained diamond films display a good flatness with a maximum profile height of only 280 nm. All results obtained from the dry sliding tests are visualised in a tribo map. The best tribological behaviour in terms of low COF and little wear is achieved by the fine-grained diamond coatings. The worst results reveal the nanocrystalline films with Cauliflower structure, mainly due to the highest number of local film delaminations in this test series. For high-end sealing applications, smooth fine-grained microcrystalline CVD diamond coatings therefore seem to be the most promising approach.     

石英玻璃管外表面抗腐蚀纳米金刚石薄膜的制备

在具有新型谐振腔的微波等离子体CVD装置上,利用乙醇和氢气为工作气体在石英玻璃管外表面沉积了均匀、致密的纳米金刚石薄膜。采用扫描电子显微镜、Raman光谱及X射线衍射表征了金刚石薄膜的质量;设计腐蚀实验检验了金刚石薄膜的抗腐蚀效果。结果表明:在反应气压为5.5 kPa、碳源浓度为8vol%、石英玻璃管温度为500℃的条件下,得到的纳米金刚石薄膜能有效增强石英玻璃管的抗腐蚀性能。     

氮气对纳米金刚石膜的生长结构及晶界处H含量的影响

采用 MPCVD 技术,研究了 CO₂ -CH₄ -N₂ 体系中 N₂ 对纳米金刚石膜生长状态及晶界处 H 含量的影响。 利用 SEM,XRD,Raman,FTIR 及 TEM 对纳米金刚石膜的形貌、结构和质量进行研究,并利用 Raman 及 FTIR 对晶界处 H 的含量进行计算分析。 结果表明,N₂ 流量的增加会在促使纳米金刚石膜的晶粒团聚体从球状逐渐转变为针状的同时减小晶粒尺寸,并使择优取向由<111>转变为<110>。 随着 N₂ 流量的增加,纳米金刚石膜的质量也随之降低,但晶界处的 H 含量逐渐上升。 具有针状晶粒团聚体的纳米金刚石膜具有明显的金刚石相和晶体石墨相。 N₂ 流量的增加不仅可以有效降低纳米金刚石膜的晶粒尺寸,改变晶粒的团聚形态及择优取向,还可以显著增加晶界处 H 的含量,促进石墨相的生成。     

Performance improvement of ZnO film by room-temperature oxygen plasma pretreatment

The room-temperature oxygen plasma treatment before depositing ZnO films on nanocrystalline diamond substrates was studied. The nanocrystalline diamond substrates were pretreated in oxygen plasma at 50 W for 30 min at room temperature and then ZnO films were sputtered on diamond substrates at 400 W. The X-ray diffraction （XRD） patterns show that the c-axis orientation of ZnO film increases evidently after oxygen plasma pretreatment. The AFM and SEM measurements also show that the high c-axis orientation of ZnO film and the average surface roughness is less than 5 nm. The resistivity of ZnO films increases nearly two orders of magnitude to 1.04 - 10^8 Ω.cm. As a result, room-temperature oxygen plasma pretreatment is indeed a simple and effective way to improve the performance of ZnO film used in SAW devices by ameliorating the combination between diamond film and ZnO film and also complementing the absence of oxygen atoms in ZnO film.