DC Arc Plasma Jet CVD自支撑金刚石膜表面形貌的研究

本文采用30kW级直流电弧等离子体喷射法沉积自支撑金刚石膜,研究了大进气量条件下不同的甲烷浓度对金刚石膜的表面形貌及晶面取向的影响,当甲烷浓度达到一定程度时,出现纳米二次晶的形核,晶粒细化,微米金刚石转变成为纳米金刚石.同时不同的氩氢配比对金刚石膜的表面形貌也产生一定的影响.在高甲烷浓度的情况下,可以得到一种具有(111)取向的微米级金刚石膜.结果表明,随着甲烷浓度和氩氢比(Ar/H2)的增加,金刚石膜表面晶粒尺寸是呈逐渐减小趋势的,此外,通过控制甲烷浓度可以得到(111)晶面的高取向金刚石膜,当甲烷浓度为20%时,金刚石膜表面晶粒的(111)晶面可以达到高取向.     

铜基体表面CVD单晶金刚石微粉的制备

采用基体自形核法,研究了光滑铜基体表面超声研磨预处理对基体表面CVD单晶金刚石微粉沉积的影响。研究结果表明:未经超声研磨预处理的光滑铜基体表面,单晶金刚石微粉形核密度极低;预处理时间不超过1 min时,可以在光滑铜基体表面获得形核密度较高又不会相互连接的单晶金刚石微粉;预处理时间超过2 min时,形核密度过高,金刚石晶粒会相互连接,甚至生长成膜。本实验沉积出的金刚石微粉纯度高,非晶碳含量少,表面光滑,可以观察到（111）和（100）面,具有立方-八面体构型,符合高品级人造金刚石磨料的要求。      

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。     

高浓度氩气对金刚石膜的质量、晶粒尺寸和硬度的影响

为研究Ar浓度对金刚石膜的质量的影响,采用微波等离子体化学气相沉积法,以Ar/H2/CH4为气源,通过改变反应气源中的Ar流量,在P型Si(100)基片上分别沉积了不同晶粒尺寸的金刚石膜(微米、纳米以及超纳米)。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、X射线衍射仪、往复式摩擦磨损试验机等设备对金刚石薄膜的表面形貌、晶粒尺寸、薄膜质量、残余应力以及微观硬度等特性进行了分析。结果表明:随着Ar流量的增加,金刚石膜晶粒尺寸减小;由G峰漂移引起的拉应力先减小后增大;薄膜中非金刚石含量增加,硬度下降。     

沉积气压对金刚石膜微米纳米结构转变的影响

利用热丝化学气相沉积(HFCVD)装置研究不同气压下氩气体积分数对金刚石膜晶粒尺寸的影响,并对不同气压下其微米纳米尺寸转变的临界值进行分析,同时用SEM以及拉曼光谱对沉积的金刚石膜进行分析.结果表明:随着氩气体积分数的增大,金刚石膜的晶粒会越来越小,但不同气压下金刚石膜从微米转变成纳米级别所需要的氩气体积分数不一样;在...     

氮气体积浓度对高微波功率沉积金刚石膜的影响

本研究在实验室自制的10kW圆柱形多模谐振腔式MPCVD装置中,研究了高功率沉积环境下,氮气在不同基片温度下对沉积的金刚石膜的影响。利用SEM表征对金刚石膜表面形貌的变化进行了分析,并结合Raman以及XRD的表征结果,分析了不同沉积温度下,氮气体积浓度与金刚石膜质量和晶粒尺寸间的关系。结果表明:引入氮气会同时起到提高沉积速率和增加二次形核的作用,并且金刚石膜的质量会随氮气体积浓度的增加而下降。随着基片温度的降低,N2对金刚石膜的影响将更多的表现为增加二次形核率。在基片温度为750℃时,通过研究不同氮气体积浓度下金刚石膜晶粒尺寸和结晶度的变化,得出当氮气体积浓度保持在0.03%~0.07%之间时,能获得晶粒尺寸为50nm左右且结晶度较好的纳米金刚石膜。     

孔隙密度对化学气相沉积泡沫金刚石导热性能的影响

选择不同孔隙密度的泡沫铜为沉积衬底,通过化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)技术在其表面沉积连续金刚石膜,借助有限元模拟阐释泡沫骨架的孔隙密度对金刚石膜整体传热效果的影响,并通过扫描电镜、拉曼光谱及红外热成像仪等对不同孔隙密度的泡沫金刚石微观形貌、膜层成分以及热扩散性能进行对比与分析。结果表明:高孔隙密度泡沫衬底更有利于热量传递,但其极小的泡沫孔径会限制自由基在孔隙内部流动,CVD沉积的金刚石晶粒尺寸明显减小,仅有2～3 μm,晶粒质量也略逊于中、低孔隙密度样品的。在相同加热时间内的红外热成像中,中孔隙密度泡沫金刚石的表面升温速率相比低、高孔隙密度样品的升温速率分别提升43.4%与12.7%。综上所述,兼具良好三维连通特性与优异金刚石质量的中孔隙密度泡沫金刚石表现出更为优异的导热性能,是更理想的导热增强体选择。      

MPCVD制备大颗粒金刚石形貌的研究

利用自制5 kW微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置,沉积得到了晶粒尺寸达到500μm的大颗粒金刚石。采用抛光后的硅作为基底,CH4和H2为气源,分别研究了基片边缘与中心区域沉积的大颗粒金刚石的表面形貌。通过SEM表征了金刚石的表面形貌,发现基片边缘由于产生放电现象加速了金刚石的沉积,而晶粒之间相互挤压导致了孪晶的产生,影响其生长质量。相反由于中心区域形核密度低,使得晶粒在优先生长的模型下抑制了小晶粒的生长,从而提供更多的能量促进大晶粒的生长,在本实验条件下(100)晶面得到了长大,并获得了表面平整、晶体形貌良好的大颗粒金刚石。最后介绍了国内外合成大颗粒金刚石的研究进展,并对其研究方向做出了展望。     

球形金刚石的形成机制

在 p Si(10 0 )基体上用热丝CVD法沉积了球形金刚石薄膜。用XL30FEG扫描电镜、X射线衍射仪及Raman光谱仪对不同沉积时间的球形金刚石的微观形貌及组成成分进行了研究 ,并对其形成机制进行了分析。结果表明 :球形金刚石的颗粒密度和形核密度一致 ,球形金刚石由微晶金刚石组成 ,晶粒尺寸为 70～ 2 0 0nm ;微晶金刚石是沉积过程中快速二次形核而形成 ,呈无序分布 ;球形金刚石薄膜以二次形核方式繁衍生长     

碳化硅衬底沉积高取向金刚石薄膜

采用直流辉光放电等离子体设备在单晶碳化硅表面沉积高晶取向金刚石薄膜,研究了预处理方法、基片温度以及甲烷浓度(甲烷与氢气的体积比)对金刚石薄膜晶粒取向的影响。用SEM、Raman等测试方法对金刚石薄膜进行表征。结果表明:研磨处理可以提高金刚石形核密度,高的形核密度有利于金刚石薄膜的沉积;过高或过低的基片温度会使得金刚石薄膜表现出(111)面生长的趋势;高甲烷浓度和低甲烷浓度也会使得金刚石薄膜晶粒取向发生改变。最终采用850℃以及5%甲烷浓度这一沉积参数进行金刚石薄膜的沉积,制备出了取向度非常好的(100)面金刚石薄膜。     

Nucleation studies of pulsed bias enhanced CVD of diamond on biomaterials

The effects of bias voltage, bias time, frequency, and duty cycle on the nucleation of diamond were investigated. Pulsed duty cycles were 0.4 μs, and the frequency varied between 0 and 100 kHz. The substrates were pretreated by a direct current (dc) bias using 3 vol. % CH₄ in Ar/H₂ plasma. Growth and surface roughness were controlled using pulsed frequencies, with mean R _a values of 20 nm. Films were characterized in terms of orientation and surface roughness using transmission electron microscopy and atomic force microscopy. Bias-enhanced nucleation is shown to profoundly increase the nucleation densities by promoting ion bombardment of the substrate surface, thus creating nucleation sites for subsequent growth on substrates such as titanium alloys and steel. This technology promotes smooth diamond facets without abrasive surface damage. Controlling the surface roughness and morphology is of critical importance for many new biomedical and electronic devices. This paper was presented at the fourth International Surface Engineering Congress and Exposition held August 1–3, 2005 in St. Paul, MN.     

低浓度氮气对MPCVD法制备金刚石膜的影响

利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,在CH4/H2的混合反应气源中加入N2进行了金刚石膜的沉积实验,详细研究了N2浓度对金刚石膜生长的影响规律。使用扫描电子显微镜、激光拉曼光谱仪和X射线衍射仪等设备,表征了金刚石薄膜的表面形貌、相组成及晶面取向。实验结果表明:随着N2体积分数的增加(由0%增加到6%),薄膜中的非金刚石相含量逐渐增大,金刚石晶粒尺寸逐渐减小,晶面取向也由较大的晶面(111)转变成较小的晶面(100);当N2体积分数为4%时,沉积的金刚石膜表面为"菜花"状结构;低体积分数(2%)的N2有利于获得高度取向(100)的金刚石膜。     

硅掺杂CVD金刚石薄膜

研究硅掺杂对CVD金刚石薄膜形貌、结构特性和成分的影响。通过向丙酮中加入正硅酸乙酯作为反应气体,在硅基底上沉积硅掺杂CVD金刚石薄膜。金刚石薄膜的表面形貌和显微组织由场发射电镜表征。金刚石薄膜的成分通过拉曼光谱和X射线衍射（XRD）进行研究。薄膜的表面粗糙度由表面轮廓仪评估。结果表明,硅掺杂会降低晶粒尺寸,促进晶粒细化并抑制三角锥形形貌。XRD研究表明,（111）朝向的晶面显著减少。拉曼光谱研究表明,硅掺杂会促进薄膜中硅碳键的形成以及非金刚石相的增多。在硅碳浓度比为1％时,沉积得到光滑的细晶粒金刚石薄膜。     

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。     

直流等离子体-热丝化学气相沉积金刚石薄膜的研究

通过在传统热丝化学气相沉积装置中引入直流等离子体,设计了直流等离子体-热丝化学气相沉积金刚石薄膜的设备,设备中既包括相互独立的灯丝电压和施加的偏压。通过调节偏压可以控制所形成的等离子体的偏流。在这一改进的系统中研究了金刚石薄膜形核和生长过程,利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）分析了金刚石的样品,结果表明,施加偏压不仅能大大促进金刚石的形核密度（10^10cm^-2）、提高金刚石薄膜的生长速率,金刚石薄膜的取向也随机取向变为（111）定向生长。     

离子轰击对Be上Al膜的影响

以Be为基体 ,采用磁控溅射离子镀在其上镀制Al膜 ,研究了离子轰击对膜基界面和Al膜微结构的影响。研究表明 ,在薄膜沉积初期 ,施加高能量离子轰击和采取循环轰击镀能增加界面形成的Be、Al共混区宽度。不同能量的离子轰击对Al膜微结构有较大影响 ,不施加离子轰击 ,Al膜在 (111)面择优生长 ;随着轰击能量升高Al膜在(111)面择优生长趋势减弱 ,Al膜在 (2 0 0 )面生长趋势加强 ;当轰击能量超过一定值后 ,Al膜在 (111)面择优生长的趋势又得到加强。晶粒在低能量离子轰击时随轰击能量增加而细化 ,当较高能量离子轰击引起基体温度升高时 ,此时晶粒又变大了。     

二氧化碳对金刚石膜生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,以H₂/CH₄/CO₂为混合气源,在Si基底上沉积金刚石膜,分析了微波功率和CO₂对金刚石膜生长的影响。利用Raman光谱、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征金刚石膜,以得到样品质量、表面形貌、晶粒取向等信息。结果表明:适当提高微波功率,可以促进金刚石晶粒长大并提高（100）取向度;加入适量CO₂,能提高金刚石膜质量和生长速率,并保持表面形貌不会发生明显变化,但随着CO₂含量的增加,金刚石表面形貌发生较大变化,薄膜质量和沉积速率先提高后降低。      

氮气对DC-PCVD法制备金刚石薄膜影响的研究

采用直流热阴极等离子体化学气相沉积方法,用甲烷、氢气、氮气的混合气体在Mo基底上成功制备了金刚石薄膜.分别采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)对不同流量氮气氛下生长金刚石薄膜的形貌、取向、质量进行了表征.结果表明:适量氮气的加入,不仅可以促进金刚石薄膜的生长速率,还可以促进金刚...