超硬高韧微米颗粒聚晶金刚石块材的超高压制备

以微米级金刚石微粉为初始材料,利用自主研发的二级6-8型超高压大腔体装置,不添加黏结剂,在15 GPa左右条件下制备了超硬、高韧的厘米级块体聚晶金刚石,聚晶块体由高压硬化所致的、具有纳米亚结构的微米级金刚石颗粒组成。该材料的维氏硬度与单晶金刚石的最高维氏硬度（~120 GPa）相当,断裂韧性（18.7 MPa·m1/2）可媲美高性能硬质合金。      

多片式衬底HFCVD系统沉积金刚石颗粒物理场的仿真优化

探索热丝化学气相沉积（hot filament chemical vapor deposition, HFCVD）合成高效优质的金刚石已成为研究热点。采用可提高金刚石颗粒单次沉积产量的新型多片式栅状衬底,应用FLUENT流体仿真软件,在原有单个出气口数量及进气总流量保持不变的情况下,优化传统模型,将单个进气口拆分成5个大小相等的进气口,对影响金刚石单晶颗粒均匀性的进气口数量和排布方式工艺参数进行仿真,对比分析HFCVD系统内气体的物理场。结果显示：4组优化模型均提高了衬底温度及流速的均匀性,有利于金刚石单晶颗粒的均匀生长,但对其沉积速率影响不显著;进一步分析优化模型的温度场,发现5个进气口及单个出气口分别位于反应腔体顶部和底部的中间位置时系统的温度差最低,最满足金刚石单晶颗粒在多片式硅衬底上均匀生长的条件。HFCVD金刚石单晶颗粒沉积试验验证了仿真结果的正确性。     

MPCVD法制备金刚石膜的工艺

采用3 kW/2 450 MHz微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)系统,以单晶硅为基底材料,采用单因素试验法研究微米级金刚石膜的生长工艺,分别探究衬底温度、腔体压强和甲烷体积分数对金刚石成膜过程的影响,获得微米级金刚石膜的最优生长工艺。结果表明:金刚石膜的生长速率与衬底温度、腔体压强、甲烷体积分数呈正相关;衬底温度和腔体压强对金刚石膜质量的影响存在最佳的临界值,甲烷体积分数过高不利于形成金刚石相。金刚石膜生长的最佳工艺参数为:功率为2 200 W,衬底温度为850 ℃,腔体压强为14 kPa,甲烷的体积分数为2.5%。在此条件下,金刚石膜生长速率为1.706 μm/h,金刚石相含量为87.92%。      

金属粉末增强机械抛光单晶金刚石

目的 研究具有催化活性的镍、钴金属粉末对单晶金刚石机械抛光的影响,以期获得低成本高效率的单晶金刚石抛光工艺。方法 以高温高压法（HPHT）制备的Ⅱa型单晶金刚石为样品,采用机械抛光的方法沿单晶金刚石（100）晶面的[100]晶向进行抛光,抛光介质分别为金刚石研磨膏、金刚石微粉、金刚石微粉与镍粉混合粉末、金刚石微粉与钴粉混合粉末。样品表面粗糙度通过原子力显微镜（AFM）进行测定,通过扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）对样品表面形貌及元素成分进行分析表征。结果 金刚石微粉作研磨粉时,抛光速率最高,达到900 μm/h,但表面粗糙度相对较差,为4.15 nm;镍粉或钴粉与金刚石微粉的混合粉末作抛光介质时,可以实现单晶金刚石的高效抛光,其中以钴粉与金刚石微粉的混合粉末作为抛光介质时的抛光效果最佳,抛光速率为875 μm/h时,表面粗糙度为1.52 nm。结论 镍、钴金属粉末与金刚石微粉混合作为抛光粉料,可以实现单晶金刚石的高效率、高质量抛光。     

金刚石表面沟槽的横向拼接生长研究

本文以高温高压(HPHT)合成的金刚石为籽晶,通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)外延生长金刚石方法,研究了金刚石表面沟槽的横向拼接生长。研究结果表明,金刚石表面沟槽可以通过金刚石横向生长方式实现外延拼接,使沟槽填满达到平整;外延生长金刚石膜上的拼接缝痕迹与沟槽宽度呈现正相关关系,与沟槽深度关联较小。这种金刚石上沟槽的横向拼接生长方式对英寸级单晶金刚石的合成具有重要意义,同时还可用于金刚石的埋层式电极的生长。     

低功率MPCVD制备金刚石薄膜

通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以CH4/H2为气源,合成高质量金刚石薄膜,在150 W低微波功率下,从衬底预处理方法、沉积气压、流量比等方面对制备高质量金刚石薄膜的工艺参数进行研究.结果表明:高流量比不利于金刚石颗粒的粒径控制,二次形核的存在可以获得近纳米级颗粒尺寸的金刚石薄膜;较大的沉积气压有利于制备...     

温度对MPCVD法同质外延单晶金刚石缺陷的影响

利用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）法在含有缺陷的单晶金刚石种晶上进行同质外延生长实验,在其他沉积参数保持相同的情况下,研究温度对生长的单晶金刚石缺陷的影响。通过发射光谱、拉曼光谱以及SEM对单晶金刚石进行表征。实验结果表明:单晶金刚石温度越高,金刚石表面的等离子体发射光谱中的谱线强度比值I（C₂）/I（H_α）也越高;而电子温度越低,等离子体中粒子间的碰撞更加剧烈。在740℃沉积时,单晶金刚石表面会在同质外延生长后出现从缺陷处贯穿的裂痕;在780和820℃沉积时,单晶金刚石表面缺陷有被抑制和覆盖的趋势,缺陷面积减小;而在860℃沉积时,缺陷面积扩大且凸起更为明显。因此,在适宜温度下生长的单晶金刚石质量较好,金刚石特征峰偏移小、应力较小;温度过高或不足,金刚石特征峰向低波数偏移程度较大,压应力较大。      

硬质合金成形铣刀的金刚石涂层热应力分析

针对B212型YG6硬质合金成形铣刀片,采用热丝化学气相沉积的方法,在其上沉积微米级金刚石薄膜。采用有限元分析的方法,研究成形铣刀片金刚石涂层的制备工艺,对热载荷作用下的金刚石薄膜和硬质合金基体间的热应力进行数值模拟计算,分析主要沉积工艺参数对金刚石涂层热应力的影响;采用扫描电镜、拉曼光谱及压痕实验等表征方法验证刀片不同部位金刚石薄膜的热应力特性。结果表明:较低的生长温度和较大的厚度有利于金刚石薄膜热应力的降低;在现有的制备条件下,保持沉积温度750℃基本恒定,沉积6 h后,薄膜厚度约为10μm,金刚石薄膜热应力较低,沉积质量较好,表现出良好的附着力,附着强度介于600 N和1000 N之间。     

利用热丝CVD工艺在铁衬底上合成金刚石

尝试用热丝化学气相沉积工艺(HFCVD)在铁衬底上合成金刚石。通过喷嘴向铁衬底上喷射源气体，可在大气压下合成金刚石。金刚石晶粒尺寸在180分钟内可生长到约20μm。用本工艺合成的金刚石只含有少量非金刚石碳。同铁衬底的情况一样，喷射源气体也有利于硅片上的金刚石合成。     

CVD单晶金刚石的研究进展

化学气相沉积(CVD)单晶金刚石是近年来金刚石领域研究焦点之一,在众多合成方法中,微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是诸多学者公认的稳定生长均匀高质量单晶金刚石最有前途的技术。近年来,MPCVD合成单晶金刚石在质量、速率、尺寸以及应用上取得了重大的进展,但是目前仍然有一个问题需要解决,即如何在保证质量的前提下大幅度提高单晶金刚石的生长速率。本文对CVD单晶金刚石过程中衬底的选择、表面加工与处理、基座的结构和沉积参数的选择进行了详细评述,并简要介绍了CVD单晶金刚石国内外研发成果。     

完整晶面金刚石的粒度极限研究

本文以SPD6×1200型六面顶压机为金刚石的合成设备,分别采用常规及特殊工艺进行金刚石的合成。为了表征不同粒度金刚石的形貌特征,本文利用光学显微镜及扫描电子显微镜对单晶形貌进行了观察。结果表明：常规粒度金刚石晶面平滑度基本不随粒度变化,超细颗粒金刚石在8～10μm以上具有与常规粒度金刚石相同的特点,而当粒度降至5μm以下时合成的金刚石不再具有完整的晶形,且随粒度降低晶形变差的趋势加剧,从而得出高温高压法合成的完整晶面金刚石的粒度极限在5μm左右的重要结论。我们认为这一现象的主要原因是由于碳原子或其团簇在金刚石表面上各点的沉积,时间先后不同,从而导致了某一时刻晶体表面各点的厚度不同,对5μm以下的超细颗粒金刚石来讲晶面上不同点的相对差别较大,宏观体现为晶面残缺。     

CVD金刚石大单晶外延生长及高技术应用前景

CVD（化学气相沉积）金刚石大单晶生长是CVD金刚石膜研究领域在过去十余年中所取得的重大技术进展之一,在一系列高新技术领域有极其重要的应用前景。针对CVD金刚石大单晶的制备和应用进行了综述。首先对CVD金刚石大单晶生长技术进行了概括性的描述,然后对CVD金刚石单晶制备方法进行详细介绍和评述。并对CVD大单晶在高性能辐射（粒子）探测器、金刚石高温半导体器件、高压物理试验、超精密加工以及在首饰钻戒等方面的应用现状与前景进行了介绍与评述。最后针对CVD高仿钻戒与天然钻戒的鉴别进行了评述,并提出了新的建议。     

金刚石膜/硅复合基片的制备工艺研究

通过等离子体喷射法硅衬底制备金刚石的试验,研究了硅片规格、硅片前期预处理、金刚石膜沉积以及后期热处理等对制备复合基片性质和裂纹产生的影响,对各个工序进行优化和改进,确定了制备金刚石膜/硅复合基片最佳的工艺流程.实验结果表明:在硅基片制备的金刚石膜厚度大于20 μm,抛光后金刚石膜表面粗糙度Ra达到5.2 nm,剩余金刚...     

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。     

优质六面体金刚石大单晶的合成及应用

利用高温高压温度梯度法,在合理调整组装方式、生产工艺的基础上,分别采用片状和环状碳源对合成优质六面体金刚石大单晶的尺寸、重量和生长速度进行了对比和分析。采用环状碳源33 h内合成晶体的尺寸可高达5.4 mm,生长速度高达12.6mg/h,重量高达2.08 carat,如此快的生长速度足可以满足六面体金刚石大单晶的产业化生产,进一步推动了国内人工合成金刚石的进程和发展。同时,六面体金刚石大单晶可作为CVD法合成单晶金刚石的基板和单晶金刚石刀具的首选材料。     

硅表面金刚石膜红外增透性能研究

通过在大面积区熔硅表面沉积金刚石膜,制作硅的红外增透膜.经扫描电镜观察,金刚石膜的颗粒尺寸平均约2μm,晶体颗粒形状规则;测试单面镀膜的红外透过率最高达65％,双面镀膜红外透过率最高达84％;实验证明硅表面金刚石具有一定的抗热冲击性能;分析了硅表面金刚石薄膜的红外增透特性,提出了进一步提高金刚石膜红外增透性能的方法.     

一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法

采用自制的1 kW石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积装置,以氢气和甲烷作为气源在镜面抛光的(100)面单晶硅片上沉积了金刚石薄膜。实验共制得两个样品,其中一个样品在制备的过程中加装了难熔的金属钽环,利用等离子体易吸附于金属钽环表面的特性,缩小了硅片中间与边缘等离子体密度差异,另外一个样品没有加装难熔的金属钽环。利用激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜(SEM)对制备的样品进行了表征,发现没有加装金属钽环的样品中间位置沉积的金刚石膜质量明显高于边缘位置沉积的金刚石膜,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别很大;加装了金属钽环的样品中间位置与边缘位置沉积的金刚石膜质量差不多,中间位置、离中间5 mm位置、边缘位置沉积膜层的厚度差别不大,上述结果证明金属钽环的加入是一种提高MPCVD法制备金刚石膜均匀性的方法。     

PCB钻头上金刚石涂层的制备

本文在直径为0.8mm硬质合金钻头上进行沉积金刚石涂层的研究。在沉积之前,先用硝酸和铁氰化钾进行腐蚀处理,以去除表面的Co。用微波等离子体CVD设备进行金刚石的沉积。在金刚石涂层沉积过程中,钻头尖端在微波电磁场中产生辉光放电现象,导致钻头尖端刃部很难获得金刚石涂层。通过使用金属丝屏蔽的方法改变钻头周围的微波电磁场分布,成功的采用微波等离子体CVD法在钻头上沉积出了金刚石涂层。用扫描电子显微镜(SEM),能量色散谱仪(EDS)和激光拉曼光谱(Raman)对钻头的表面形貌和金刚石薄膜的质量进行了表征,同时在铝基复合材料上进行了钻孔测试。结果表明金刚石薄膜表面比较光滑,晶粒尺寸较小,涂层质量良好,薄膜的附着力也较高。     

MPCVD快速制备(100)面金刚石薄膜

利用实验室自主研发的10 kW微波等离子体装置,在直径为75 mm的(100)硅片上快速沉积高质量(100)面金刚石薄膜。实验中,甲烷浓度由1%提高至5%,金刚石薄膜的沉积速率由1μm/h增至8.2μm/h。随着金刚石薄膜生长速率的增加,薄膜质量下降,晶型杂乱,非金刚石相含量增加。在气源中加入氧气以提高高速生长下金刚石薄膜的质量。不同氧气浓度对金刚石薄膜的半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)有较大影响:氧气浓度为0.1%～0.5%时,金刚石薄膜的FWHM随着氧气浓度的增加而减小;0.6%～1.2%时,薄膜FWHM值随着氧气浓度的增加而增大;浓度大于1.2%时,FWHM值保持不变。在H2流量为300 cm3/min,CH4浓度为5%,O2浓度为0.5%的条件下,制备出了(100)面完整,晶型完整,有台阶生长状的金刚石薄膜。     

“限流环”对MPCVD法快速制备高质量金刚石膜的研究

为了提高金刚石膜的沉积速率和沉积质量,本文通过在5 kW微波等离子体化学气相沉积装置(MPCVD)的腔体内添加“限流环”,运用较高的微波功率(4700 W)以较高的沉积速率(25.0μm/h)得到了高质量的金刚石膜.添加“限流环”后,明显改变了工作气体在腔体中的流向.在高功率微波下,工作气体能尽可能多地流经高能等离子体...