高取向金刚石薄膜的制备

目的研究不同甲烷体积分数、不同氮气流量分别对金刚石(111)面、(100)面生长的影响,实现在最佳工艺下制备高取向金刚石薄膜。方法采用微波等离子体增强化学气相沉积法制备高取向(111)面、(100)面金刚石薄膜,实验前一组(1~#—3~#)以CH_4/H_2为气源,后一组(4~#—5~#)以CH_4/H_2/N_2为气源,通过采用SEM、XRD分析不同甲烷体积分数下(111)面和不同氮气流量下(100)面的生长形貌、晶粒尺寸以及金刚石晶面特征峰强弱,同时还使用Raman测试两组分别改变甲烷体积分数、氮气流量工艺下金刚石特征峰、石墨峰的变化趋势。结果前一组随着甲烷体积分数的增加,金刚石(111)面逐渐清晰可见,低甲烷体积分数为2%时,H等离子体对金刚石表面刻蚀严重,形成少量表面粗糙的(111)面,当甲烷体积分数升到4.5%时,(111)面生长非常均匀,金刚石质量较高,继续提高甲烷体积分数,薄膜中非金刚石的含量增加,金刚石质量下降。后一组随着氮气流量的增加,金刚石(100)面的生长非常整齐平滑,在氮气流量为5 cm~3/min时,(100)面比较粗糙,由于有含氮基团的加入,其生长速率加快,进一步升高氮气流量到10 cm~3/min时,含氮基团的择优生长促进(100)面占据整个界面,同时削弱了其他晶面的生长。结论前一组甲烷体积分数为4.5%时,(111)面占据整个生长面,生长非常均匀,同时XRD测试金刚石(111)面特征峰也达到最强。后一组氮气流量为10 cm~3/min时,(100)面表面光洁度和平整度达到最佳。     

PECVD法制备掺硼纳米金刚石薄膜的工艺研究进展

首先详细介绍了金刚石作为半导体材料的优异性能,然后从应用角度阐述了NCD薄膜掺B后形成半导体材料的优势,接着探讨了影响NCD薄膜性能(电性能、光学性能、生物性能等)的主要工艺条件(包括硼源种类、掺硼浓度、衬底温度、后处理)。研究发现,大多数研究者都采用液态和气态硼源,而固态硼源由于很难液化且浓度不易控制而不常被采用,掺B后NCD薄膜的电阻率急剧下降,紫外波段下透过率可达51%,磁阻效应变好。另外衬底温度对BD-NCD薄膜的质量以及性能都有影响,衬底温度太高,非晶碳含量增加,金刚石质量下降;衬底温度太低,能够进入NCD晶界或晶粒的有效硼原子减少,影响其电学性能、光学性能,在最佳衬底温度工艺下的电导率可达22.3 S/cm,而在电化学性能方面,其电化学窗口可达3.3 V。而选择合适的硼源浓度对BD-NCD的电性能、光学性能、生物性能也非常关键,硼源浓度过大,BD-NCD表面粗糙度和晶粒尺寸增大;硼源浓度过小,产生空穴进行导电的B原子就少,在合适硼源浓度工艺条件下其载流子浓度可达1021 cm-3,折射率可达2.45。还有研究者对BD-NCD薄膜进行后处理工艺(退火、等离子体处理等),发现后处理对其电性能也有一定的影响。因此,选择合适的工艺对生长质量高、性能优异的NCD薄膜尤为重要。最后对BD-NCD薄膜的发展以及后续研究方向进行了展望和期待。     

类金刚石薄膜的摩擦性能及其应用

首先从成键结构的角度分析了DLC薄膜摩擦性能的由来,然后分别从DLC薄膜的沉积工艺(包括制备方法、气源种类和掺杂元素)、摩擦环境条件和基底材料选择等三方面入手,讨论了影响DLC薄膜摩擦性能的主要因素及其影响规律。经过总结发现,通过调节DLC薄膜的沉积工艺可以改变DLC薄膜中sp~2杂化碳的含量以及氢的含量,进而影响DLC薄膜的摩擦性能;真空、惰性气体和低湿环境有利于获得更好的摩擦效果;过渡层和偏压有利于提高DLC薄膜与基底之间的附着力,其摩擦性能也会得到提升。最后对DLC薄膜在机械加工及耐磨器件、光学和电子保护以及生物医学领域的应用进行了综述,并对应用过程中存在的两大问题——DLC薄膜的内应力和热稳定性进行了分析,归纳了一些具体的解决方案,并对DLC薄膜的发展趋势进行了展望。     

H2/Ar流量比对纳米金刚石形貌和结构的影响

目的研究不同H_2/Ar流量比对纳米金刚石形貌和结构的影响。方法采用MPECVD法制备了质量较好的纳米金刚石薄膜,并通过SEM、XRD对金刚石薄膜的形貌、结构以及晶粒尺寸进行了测试,还使用Raman对金刚石D峰、纳米金刚石特征峰(TPA)的变化趋势进行了分析。结果当Q(H_2):Q(Ar)=50:49时,制备的金刚石晶粒为亚微米范畴,其平均晶粒尺寸为250 nm,表面平整度较差,出现堆积层错现象,但金刚石特征峰(D峰)最强,生长速率达到最大,约为125 nm/h;Q(H_2):Q(Ar)=10:89时,表面平整度高,二次形核现象明显,平均晶粒尺寸为20 nm;进一步减小H_2/Ar流量比为0时,可发现晶粒由纳米变为超纳米,二次形核更为明显,表面平整更高,其平均晶粒尺寸为3 nm,另外Raman测试发现金刚石特征峰强度随H_2/Ar流量比的减小而减小,而纳米金刚石特征峰随H_2/Ar流量比的减小而增大。结论随着H_2/Ar流量比的增加,金刚石表面平整度逐渐变差,表面粗糙度也在逐渐增大,同时金刚石的晶粒尺寸和生长速率在Q(H_2):Q(Ar)=50:49时达到最大。     

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。