HF-CVD中辉光等离子体对硅(100)基底上金刚石高密度外延形核的作用

在典型的热丝化学气相沉积（HF-CVD）设备中利用辉光放电等离子体实现了镜面抛光的单晶硅（100）基底上金刚石高密度异质外延形核．实验中以硅基底作为阴极，其表面的放电电流密度高达80mA／cm2。利用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、俄歇电子谱（AES）等测试手段对所得样品进行了分析。结果发现，经过10min的生长之后，在硅（100）表面上实现了金刚石（D）均匀外延形核，取向关系为D（110）／／Si（110）及D（100）／／Si（100），形核密度高达5x109／cm2。根据放电参数对阴极鞘层的等离子体参数的计算结果与AMF及SEM分析一致，表明了阴极鞘层对于金刚石异质外延形核具有决定作用，并据此讨论了进一步改善异质外延形核均匀性的途径。     

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。     

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。     

Si（100）上异质外延金刚石膜生长及其应用研究

利用负衬底偏压和发射电子增强核化的方法,通过微波等离子体和热灯丝CVD法在Si(100)上合成出了高度定向的异质外延金刚石膜。并利用冷离子注入和快速退火处理完成P型掺杂异质外延金刚石膜的制作,研制出高灵敏度的压阻和磁阻传感器件。试验结果表明,这些器件不仅具有高灵敏度,而且在高温、高辐射和强化学腐蚀的环境下仍能正常工作。     

金刚石粉体对Ni电结晶初期行为的影响

采用循环伏安(CV)和恒电位阶跃(CA)等电化学技术,研究金刚石粉体对Ni电结晶形核/生长的影响,并通过扫描电镜观察复合镀层的表面形貌。结果表明:在Ni-金刚石复合镀液中,金刚石粉体吸附在阴极表面,对阴极产生屏蔽作用,Ni2+的有效放电面积减小,阻碍电荷转移,使复合镀液在循环伏安曲线中的还原电流降低;金刚石粉体缩短了Ni电结晶的形核驰豫时间(tmax),形核过电位正移,促进Ni电结晶形核;电镀时间越长,金刚石复合量越小,镀层表面越粗糙;Ni-金刚石复合镀液和纯Ni镀液的Ni电结晶形核可能为多晶沉积。     

TiZrNbTaMo高熵合金表面化学气相沉积制备多晶金刚石膜EI北大核心CSCD

本文以亲碳元素组成的TiZrNbTaMo高熵合金作为基材,通过化学气相沉积的方法在其表面沉积金刚石膜。结果表明:金刚石能够在TiZrNbTaMo高熵合金表面快速形核,形核密度高达7.53×109cm^(-2),且在30 min内形成连续的金刚石膜;金刚石在TiZrNbTaMo高熵合金表面的形核密度及生长速率远高于在组成高熵合金的单质金属表面的形核密度及生长速率。这是由于在金刚石形核及生长初期,高熵合金表面能够快速形成混合碳化物层,阻碍碳原子向合金基材扩散,使其富集在碳化物层表面,促进金刚石的形核和生长。沉积金刚石后的Ti ZrNbTaMo高熵合金在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的抗腐蚀能力显著提升。本文结果为金属材料表面高效率沉积高形核密度的金刚石以及改善高熵合金表面硬度和耐腐蚀性能提供了新的思路和方法。     

过共晶铝硅合金中初晶硅复合异质形核的研究

采用磷变质细化过共晶铝硅合金中的初晶硅相,并对工业熔体中存在的多种粒子进行研究。结果表明,在过共晶铝硅合金中存在多种异质粒子(如Al P和Si O2)及复合异质粒子[如Al P/Si O2和Al P/(Al2O3+Si O2)]等多种形核中心,这些粒子都能为初晶硅相形核提供固相衬底。在工业合金熔铸过程中,需综合考虑多种粒子的异质形核作用。     

圆柱形衬底上高质量金刚石薄膜制备工艺研究

本文以丙酮和氢气为气源，采用优化钽丝排列分布的偏压增强热丝CVD装置对钨丝衬底进行了金刚石薄膜沉积研究。采用扫描电镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱等方法检测了金刚石薄膜的质量，分析了沉积工艺对金刚石形核和生长的影响。研究结果分析表明，当直径为1mm的钨丝与热丝之间的最佳距离为4—6mm且反应压力为4665．5Pa、碳源浓度为1．8％时可得到涂层厚度均匀又能覆盖整个钨丝外表面的高质量金刚石薄膜，为以后的自支撑的金刚石薄膜管的制备和回转体刀具的外表面金刚石涂层打下基础。     

孕镶金刚石硬质合金基底上沉积金刚石涂层工艺研究

为提高金刚石涂层和基底的结合力,采用化学气相沉积方法在普通硬质合金和孕镶金刚石硬质合金基底上分别沉积金刚石涂层,并通过扫描电镜、拉曼光谱和压痕分析对比研究其结合性能。结果表明:在孕镶金刚石硬质合金基底上可以实现金刚石的同质与异质外延生长;在孕镶金刚石硬质合金基底上沉积的金刚石形核率高,晶形大小均匀,涂层表面平整;孕镶金刚石基底金刚石涂层的结合力优于硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的结合力。在孕镶金刚石硬质合金基底上沉积金刚石膜可扩大金刚石涂层的应用范围。      

合金凝固过程的形核模型

为了定量地描述多元合金的实际形核过程，引入实验参数，建立了工业多元合金凝固过程中的经验形核模型，该模型把形核率与最终晶粒密度联系起来．该模型能根据设计的参考试样的实验结果计算工业合金凝固过程中单位体积熔体中有效异质核心表面积Sv和熔体中有效异质核心润湿角因子f(θ)，进而分析实际铸件的形核特性．利用所建立的经验形核模型，针对Al-7Si合金和Al—7Si—0．55Mg合金，计算了一定熔炼条件下的形核参数。     

直流等离子体CVD金刚石薄膜微观结构分析

采用直流等离子体CVD法制备了金刚石膜，利用X射线衍射、光学显微镜、扫描电镜、激光拉曼光谱等技术研究了金刚石膜的微观组织，晶粒择优取向生长过程。结果表明：开始形核时，晶粒随机无择优生长；对基体表面氢刻蚀预处理，有利于晶胚形核长大。甲烷浓度对金刚石膜晶粒择优取向生长有重要影响：甲烷浓度较低时，金刚石膜（100）面择优生长，形成以（111）为主的八面体晶体，并且可以制取中心和边缘均匀、高质量光学级自支撑金刚石膜，但生长速率慢，效率低。同时也发现金刚石膜存在空位、孔洞等缺陷。     

梯度基体温度法和反应溅射TiC过渡层对钛合金基体沉积金刚石薄膜的影响

以H2和CH4作为反应气体,采用热丝化学气相沉积法(HFCVD)在钛合金(Ti6Al4V)平板基体上制备金刚石薄膜,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、激光拉曼光谱(Raman)和洛氏硬度仪分析薄膜的表面形貌、结构、成分和附着性能,研究了高温形核-低温生长的梯度降温法对原始钛合金和反应磁控溅射TiC过渡层的钛合金表面沉积金刚石薄膜的影响。结果表明:原始基体区和TiC过渡层区沉积的金刚石薄膜平均尺寸分别为0.77μm和0.75μm,薄膜内应力分别为-5.85GPa和-4.14GPa,TiC层的引入可以有效提高金刚石的形核密度和晶粒尺寸的均匀性,并减少薄膜残余应力;高温形核-低温生长的梯度降温法可以有效提高金刚石的形核密度和质量,并提高原始基体上沉积金刚石薄膜的附着性能。     

氩气流量对等离子体喷射法制备的金刚石膜形核的影响

采用100kW级直流电弧等离子喷射法进行金刚石膜沉积,阐述了氩气对维持电弧稳定的重要作用,讨论了氩气流量对衬底表面轰击的影响,氩气流量和不同电弧分区对形核期金刚石表面形貌和晶粒尺寸的影响,以及时间和不同预处理方式对金刚石形核密度的影响。结果表明:随着氩气流量的增加,氩气对衬底表面的轰击作用增强,金刚石膜表面形貌呈现从(111)到(100)的变化规律,金刚石晶粒尺寸减小,晶形变得不完整;弧边位置(100)取向更明显;使用金刚石微粒对衬底进行研磨预处理能显著提高金刚石的形核密度。     

钢基渗铝过渡层上沉积金刚石薄膜的研究

在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置中,以45钢钢板上的渗铝层作为过渡层,制备金刚石薄膜。研究了基体表面不同的铝含量对金刚石膜质量的影响。扫描电子显微镜(SEM)、能谱和Raman谱测试表明,渗铝层中的FeAl等金属间化合物在低温沉积时能减弱碳向基体的扩散,防止非金刚石相碳的出现,从而有利于高质量的金刚石薄膜的沉积。而试样表面过低的铝含量及过高的沉积温度不利于金刚石薄膜的形核与生长。     

工作气压对管内壁沉积Si/O-DLC薄膜结构与性能的影响

目的 探讨工作气压对管内等离子体放电光学现象以及Si/O-DLC(Si and O Incorporated DLC,Si/O-DLC)薄膜结构与性能的影响,为获得管内高质量、均匀的Si/O-DLC薄膜制备工艺技术提供指导。方法 利用空心阴极等离子体增强化学气相沉积(Hollow Cathode Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,HC-PECVD)技术,通过改变工作气压在管内沉积Si/O-DLC薄膜。利用高速摄像机记录并对比不同工作气压下管内等离子体放电光学现象。通过SPM、XPS和Raman光谱仪表征不同工作气压下薄膜的三维立体表面形貌和微观结构,并利用SEM、纳米压痕仪以及划痕测试系统,对比研究管内Si/O-DLC薄膜的硬度、弹性模量、膜基结合力以及沿管轴向的薄膜厚度分布。结果 随着工作气压的上升,管径向中心处亮斑面积和光强先增大增强后趋于缩小暗淡。在不同工作气压下,均能够在管内获得表面光滑的Si/O-DLC薄膜,粗糙度为3~10 nm。随着工作气压的上升,管内Si/O-DLC薄膜的平均厚度从1.42 μm增大到2.06 μm,且沿管轴向的薄膜厚度分布均匀度从24%显著提高到65%;不同工作气压下管内Si/O-DLC薄膜沿管轴向平均硬度呈先增大后减小的趋势,总体平均硬度可达(14±1) GPa。管内Si/O-DLC薄膜在工作气压上升到25 mTorr时获得较高的平均膜基结合力。结论 改变工作气压能够显著影响管内壁Si/O-DLC薄膜的结构与性能,当工作气压为25 mTorr时,在管内获得均匀性最优、结合力较高的Si/O-DLC薄膜。     

HFCVD在硬质合金基体上沉积（110）＆（100）金刚石薄膜

以CH4和H2为反应气体,用热丝化学气相沉积(HFCVD)法在YG6(WC-6%Co)硬质合金基体上沉积了具有(110)和(100)织构的金刚石薄膜.用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、压痕仪对样品进行了分析.结果表明金刚石薄膜由约1μm大小立方金刚石晶粒组成,其形核密度大于2×108/m2;(110)和(100)织构系数分别为0.59和0.033,压痕荷载为588N时附着性能良好.     

阴极等离子体电解氧化表面改性新方法探索

阴极等离子电解氧化(CPEO)打破等离子体电解领域传统认识,利用液相放电现象,使钢铁及钛基材料阴极表面快速氧化,是一种氧化膜制备新方法,提高了材料的耐磨、耐蚀性能。与微弧氧化或阳极等离子电解氧化技术相比,CPEO技术的氧化膜生长速率显著提高,并适用于各种钢铁材料表面改性。介绍了CPEO技术的基本原理,包括液相放电现象和电压电流的演变过程、气膜形成与击穿过程、阴极内部近表面温度随电压变化规律和快速氧化过程,并对比分析了CPEO与阳极等离子体电解氧化和电解渗技术原理的共性与差异。介绍了光发射谱测量和等离子体参数的计算结果,分析阴极等离子体放电环境中阴极等离子体电解氧化机制。进一步总结了碳钢、不锈钢、Mo、TiAl合金表面CPEO膜的形貌、组织结构和性能特点,分析电解液中悬浮的碳粉特性,探讨放电过程中类金刚石(DLC)成分合成的可行性,并初步制备出含DLC成分的CPEO复合氧化膜。最后总结并展望了CPEO技术的发展方向以及应用前景。     

甲烷浓度对批量生产金刚石涂层刀片的影响

采用微波等离子体CVD(MWCVD)法小批量地生产了金刚石涂层刀片,在金刚石薄膜沉积的过程中,研究了碳源浓度对沉积金刚石膜的均匀性的影响。用扫描电子显微镜(SEM)和激光拉曼光谱(Raman)对薄膜的表面形貌和质量进行了表征。结果表明较低的低甲烷浓度适合金刚石涂层刀片的批量生产。     

含氢掺硅类金刚石薄膜的制备及性能表征

采用磁控溅射和离子源复合沉积技术,在Si片、模具钢和硬质合金上制备了均匀致密的含氢掺硅类金刚石薄膜.先用正交法优化含氢类金刚石薄膜的制备工艺,然后通过控制中频碳化硅靶的功率密度向含氢类金刚石膜层中成功掺人Si元素.采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)、硬度计、划痕仪和摩擦磨损试验机等手段测试和研究了膜层的形貌、成分、sp3和sp2含量及其性能.结果表明:优化后含氢类金刚石薄膜的制备工艺为:30 mL/min甲烷流量,100 V偏压,0.8A离子源电流;所制备的含氢掺硅类金刚石薄膜是非晶结构,膜厚2.20 μm,膜、基结合力为30 N,膜层硬度达到2039 HV.含氢掺硅类金刚石薄膜的摩擦因数受环境湿度变化很小,可应用于精密传动部件提高其使用精度.     

微波功率对(100)晶面取向金刚石薄膜制备的影响

以H2和CH4的混合气体为气源,使用实验室自制10 kW新型装置,采用微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)在Si(100)基体上沉积金刚石薄膜,然后采用扫描电镜(SEM)、Raman光谱以及XRD光谱,以得到表面形貌、样品质量和晶面取向等信息,由此获得微波功率对金刚石薄膜取向的影响。结果表明,微波功率对金刚石膜的质量、表面形貌和晶面取向都有明显地影响,随着微波功率升高,金刚石薄膜的形貌变得规则,薄膜中Isp3/Isp2由1.52提高到6.58,其沉积晶面的I(100)/I(111)由0.38提高到3.93。当微波功率为4 900 W时,所得沉积样品晶面以(100)为主,形貌规则,纯度很高。