N掺杂石墨化纳米金刚石超级电容器电极材料性能

为探索制备高能量密度和高循环性能的超级电容器材料,将三聚氰胺与石墨化纳米金刚石(graphitized nano diamond,GND)混合物在N₂气氛中高温处理,制备表面N掺杂吸附的核壳纳米复合粒子(nitrogen doped GND,N-GND)。由拉曼光谱和X射线衍射分析可知:N原子掺入石墨层中,在一定程度上增加其缺陷, 且不改变其晶体结构。由透射电镜分析可知:N掺杂引起GND周围石墨层出现蜷曲形状。对N-GND粉末电极进行电化学性能测试,结果表明:在扫速为5 mV/s时,电极比电容高达206.7 F/g;在对称两电极体系下的恒流充放电测试中,在电流密度为0.4 A/g时,N-GND的比电容达到198.7 F/g;在50 mV/s的扫描速度下,经2 000圈循环伏安测试后,比电容仅衰减4.23%,表现出优异的循环稳定性。以N-GND作为新型超级电容器电极材料,掺杂吸附的石墨壳层赋予其良好的导电性,GND芯部具有高热稳定性及化学稳定性,可避免传统石墨烯叠聚问题并构造可控的介孔通道,同时N掺杂吸附可提高其电容性能。      

以新型硼源制备硼掺杂金刚石膜的性能研究

采用微波等离子体化学气相沉积技术,以氧化硼-乙醇溶液作为硼源,制备不同掺硼浓度的金刚石膜。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、电化学工作站等研究其表面形貌、晶体结构、薄膜质量和电化学性能。结果表明:随硼元素含量升高,金刚石膜的晶体颗粒尺寸先减小后增大,电势窗口由3.1V降至2.6V,阳极电流密度由0.022 7mA·cm-2降至0.011 9mA·cm-2,但对背景电流及电化学可逆性几乎不影响。      

纳米金刚石硼掺杂的制备及表征

本文采用高温真空扩散法制备了纳米金刚石硼掺杂。采用热重分析仪、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、智能型拉曼光谱仪、透射电子显微电镜等技术手段对制备的产物进行表征。结果表明,产物主要包含C、O、B元素,其质量分数为92.08%,7.14%,0.78%。纳米金刚石硼掺杂的XRD图谱中除了金刚石(111)D、(220)D衍射峰外,还有六方金刚石(100)D的衍射峰。B原子的引入造成纳米金刚石的缺陷增多,引起G峰移至1620cm-1。硼原子在金刚石中以两种状态存在,分别是C-B碳的取代原子和B-O的间隙硼原子。掺杂后的纳米金刚石颗粒形状形貌无明显变化,粒径为2~10nm,有少部分立方金刚石的存在。总而言之,硼的掺杂使得纳米金刚石的初始氧化温度提高了175℃,氧化速度缓慢,热稳定性能提高。     

提高辐射剂量计用金刚石膜电学性能的研究

针对目前金刚石膜存在电阻率低,使辐射剂量计器件的信噪比不大、X光灵敏度较低的问题,采用优化的氧等离子体和氮等离子体对生成膜进行原位后处理.结果表明氧等离子体处理比氮等离子体更能有效的刻蚀石墨等非金刚石成分;处理后样品生成膜的电阻率可提高至少4个数量级;优化的等离子体处理工艺能提高金刚石膜对X射线的响应.     

元素掺杂类金刚石碳膜降内应力研究综述

我国汽车行业与国际同行的差距主要在于发动机关键零部件的摩擦磨损。类金刚石(DLC)碳膜技术是解决发动机关键零部件摩擦磨损问题的有效途径,但传统的DLC碳膜在制备过程中会产生较高的内应力(可达10GPa),从而导致薄膜失效。首先分析了DLC碳膜在汽车零部件领域的应用背景,探讨了薄膜内应力的来源,重点综述了异质元素掺杂降低类金刚石碳膜内应力的研究现状。常用掺杂元素按化学性质可分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素,不同于其他分类方法,笔者按掺杂元素的组元多少进行划分,从单元掺杂、二元或多元掺杂入手,系统分析了各种掺杂方式、掺杂元素的优缺点。在此基础上,指出元素掺杂降低类金刚石碳膜内应力的研究从最初的单一元素掺杂,逐步发展到了二元或多元元素掺杂;从碳化物形成元素掺杂、非碳化物形成元素掺杂,逐步发展到碳化物形成元素与非碳化物形成元素的多元共掺杂;所研究的类金刚石碳膜的显微结构也从最初的非晶态结构向多元、多相结构发展,以期获得良好的综合机械性能。     

纳米级金刚石的结构、性能与应用

纳米材料是纳米技术的重要组成部分,是新世纪里国际前沿的重大研究课题。近年来,我国对纳米金刚石的爆轰合成技术及其物性研究,形成机制和应用展开了实验研究,并取得初步成果。本文对纳米材料的通性,以及纳米金刚石的结构、性质与应用进行阐述。通过测试与应用研究,揭示了纳米金刚石具有金刚石和纳米材料的双重优异特性的因由和它在高效磨合、复合镀层、橡胶增强、生物抗体、研磨、抛光等应用时所显现出的优越性,提出,在取得     

纳米金刚石的性能与应用前景

纳米材料是近年引起世界各国物理学家、化学家、材料学家及工程界、产业界广泛注意的新材料。本文对纳米材料的通性、金刚石的基本性质、纳米金刚石的性质与应用前景、烧结型纳米PCD的聚结机理及性质进行阐述。揭示了纳米金刚石聚晶具有金刚石和纳米材料的双重特性，提出了制造纳米金刚石聚晶的可行性。     

具有准梯度结构膜的金刚石性能研究

1　前言目前大部分金刚石工具及其制品都是由金刚石与各种各样的金属结合剂经加压成型和加热烧结而成的。显然金刚石和结合剂的性质对工具的效率和寿命有很大的影响。为此 ,人们作了不少的研究。但是 ,金刚石工具中的结合剂对金刚石颗粒的把持力或结合强度对工具的磨削效率和使用寿命无疑起决定作用。为了达到强力的结合而采用的方法很多 ,例如改变结合剂的成份和比例 ,金刚石表面的金属化 ,对结合剂进行氢还原和真空烧结等等。其中最常用的方法就是在真空中为金刚石表面镀上一层有一定厚度的金属膜 ,如Ｔｉ、Ｃｕ等 ,或化学方法镀附金属 ,…     

硼及其协同掺杂金刚石薄膜的研究

在金刚石中掺入杂质元素会在保留其原有优良性能的基础上获得其他性能,如掺入硼元素可以使金刚石成为P型半导体;协同掺杂其他元素可以改善金刚石的电学性能、催化活性等,甚至可以改变硼掺杂金刚石薄膜的导电机制。本文详细介绍了硼及其协同掺杂金刚石薄膜的制备方法、结构特点以及微观形貌,综述了影响其性能的因素及改性方法。      

掺杂类金刚石薄膜微观结构和摩擦学性能的研究进展

类金刚石(Diamond like carbon,DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦系数、低磨损率的特点,已广泛应用于各行各业,但也存在内应力大、热稳定性差以及摩擦学性能对环境敏感等问题,制约了DLC薄膜的应用.在DLC薄膜中,掺入异质元素能够改变薄膜成分、微观结构和sp3杂化键含量,可有效地减小薄膜内应力,提高结合力并改...     

铁酸铋薄膜的溶胶-凝胶法制备及电性能研究进展

铁酸铋是唯一一种在室温下存在的单相多铁材料,因其具有较高的铁电居里温度、较大的剩余极化强度、较小的禁带宽度和多铁特性,受到国内外的广泛关注。溶胶-凝胶法是制备铁酸铋薄膜的一种常见方法。综述了近年来溶胶-凝胶法制备铁酸铋薄膜的研究进展,详细阐述了制备工艺参数(前驱液、退火温度、退火气氛、底电极)与掺杂对铁酸铋薄膜电性能的影响;分析了不同制备工艺导致薄膜电性能出现差异的原因;归纳、总结出了目前溶胶-凝胶法制备铁酸铋薄膜的较佳工艺条件;最后,指出了亟待解决的问题。     

CVD金刚石膜的断裂行为

采用球环法研究了用大功率ＤＣＰｌａｓｍａＪｅｔＣＶＤ沉积的无衬底自支撑金刚石厚膜的断裂强度和断裂韧度，并试图探索其与原始显微组织特征（特别是晶粒度）的关系。发现ＣＶＤ金刚石膜的强度和断裂韧度均远低于天然Ⅱａ型宝石级金刚石单晶。对于未抛光的试样，数据的离散程度掩盖了任何可能存在的规律性，而对于经过抛光的试样，研究结果表明与众所周知的ＰｅｔｃｈＨａｌ公式有相当好的吻合，说明细化晶粒仍然是提高ＣＶＤ金刚石膜力学性能的有效途径。预先存在的内部裂纹是ＣＶＤ金刚石膜强度低的重要原因之一。     

镀附钛、钼、钨金刚石与铜基合金结合剂工具的结构性能研究

为了实现金刚石与金属结合剂间的冶金结合,本文用镀Ti、Mo、W的金刚石与含Ni、Co的铜基合金结合剂制成了刀头,通过切割试验和抗折试验,研究了其强度特征和切割性能,并用X射线、扫描电镜和能谱分析对镀层和金刚石、结合剂之间的作用进行了微观分析。结果表明:Ti、Mo、W镀层一方面与金刚石发生界面化学反应形成相应的碳化物,另一方面又与金属结合剂形成化学键合并部分溶入结合剂液相中。这样,由Ti、Mo、W镀层的中介作用实现了铜基金属结合剂与金刚石之间的冶金结合,使金刚石工具的性能大幅度提高。     

氧化铟锡(ITO)薄膜溅射生长及光电性能调控

目的 选取影响氧化铟锡(ITO)薄膜生长关键的3种参数,即薄膜生长的氧气流量、薄膜厚度和热处理退火,系统研究其对ITO薄膜光学和电学性能的影响规律。方法 采用直流溅射法,在氩气和氧气混合气氛中溅射陶瓷靶材制备ITO薄膜样品。利用真空热处理技术对所制备的ITO薄膜进行真空退火处理。通过表面轮廓仪测试厚度、X-射线衍射仪(XRD)表征结构、X-射线光电子能谱仪(XPS)分析元素含量、分光光度计测试透过率和四探针测试薄膜方块电阻,分别评价薄膜厚度、光学性能和电学性能,并对比研究热处理对薄膜结构和光电性能的影响规律。结果 电阻率随氧气流量的增加呈现出先缓慢后急剧升高的规律,在氩气和氧气流量比为150∶8时,可得到400 nm厚、电阻率为8.0×10^?4 ?.cm的ITO薄膜。厚度增加可降低薄膜电阻率,氧气流量的增加可明显改善薄膜透光性。通过真空热处理可提高室温沉积ITO薄膜的结晶性能,较大程度地降低电阻率。在真空热处理条件下增大薄膜厚度可降低薄膜电阻率,氧气流量增加不利于ITO薄膜电阻率的降低。在氩气和氧气流量为150∶6条件下制备的ITO薄膜,经500 ℃真空热处理后电阻率可达到最低值(2.7×10^?4 ?.cm)。结论 通过调控氧气流量和厚度来优化ITO薄膜的结构和氧空位含量,低温下利用磁控溅射法可制备光电性能优异的ITO薄膜;真空热处理可提高薄膜结晶性能,通过氧气流量、厚度和热处理温度3种参数调控可获得最低电阻率的晶态ITO薄膜(2.7×10^?4 ?.cm),满足科技和工程领域的需求。     

金刚石厚膜表面金属化及其钎焊研究

本文首先使用磁控溅射法在清洁的金刚石厚膜表面溅射Ti/Cu层,利用热的浓硫酸腐蚀表层的Cu和Ti层,获得具有合金TiC层的金刚石厚膜表面,实现金刚石厚膜的表面金属化;然后利用高频感应加热方法,以Ag-Cu-Ti混合粉末作为焊料进行金刚石厚膜的钎焊实验,主要对钎焊过程中的钎焊温度、保温时间以及焊料用量等参数进行了研究。结果表明,以60℃/s的速度加热到870℃后保温15 s,焊料用量为80μg时,金刚石厚膜与硬质合金刀具之间的焊接强度可以达到125 MPa,可以满足机械加工强度要求。     

金刚石上不同晶体结构Y2O3膜性质与增透性能研究

目的研究不同晶体结构Y_2O_3薄膜的性质及其对金刚石增透性能的影响规律。方法采用反应磁控溅射的方法,通过控制氧氩比,在金刚石膜上制备立方与单斜两种不同晶体结构的Y_2O_3薄膜,随后系统研究两种Y_2O_3薄膜的性质与增透性能。结果在低氧氩比下获得了立方结构Y_2O_3薄膜,在高氧氩比下获得了单斜结构Y_2O_3薄膜,二者表面粗糙度分别为2.57、1.07nm。两种晶体结构均呈现出符合Y_2O_3原子配比的价态。立方和单斜结构的Y_2O_3薄膜硬度分别为17.4、12.6 GPa;弹性模量分别为248.1、214.6 GPa。双面镀制立方结构Y_2O_3薄膜后,金刚石膜在10.0μm透过率最大,达89.1%,增透24.5%;单斜结构Y_2O_3薄膜在7.4μm透过率最大,达90.4%,增透25.4%。结论通过控制氧氩比可以获得热力学稳定的立方Y_2O_3薄膜和亚稳态的单斜Y_2O_3薄膜。立方和单斜结构的Y_2O_3薄膜中O与Y原子价态均符合其化学计量比。立方结构Y_2O_3薄膜呈现出更高的硬度与弹性模量。两种结构对金刚石窗口均呈现出良好的增透效果。单斜结构Y_2O_3薄膜增透效果更佳与其较低的折射率有关,且相比于立方结构Y_2O_3薄膜,增透最佳值向低波长方向移动。     

Investigation of the Tribological Properties of Diamond Films

A chemical vapor deposition (CVD) system has been used to produce polycrystalline and nanocrystalline diamond (NCD) films. For biomedical and electronic engineering applications, it is highly desirable to deposit smooth films with decreased crystal size. In general, diamond coatings with a crystal size of 10-100 nm range are known as NCD. There are several ways in which NCD may be deposited including growth from fullerene precursors with argon dilution. Several workers have proposed various mechanisms for the growth process using inert gas dilution to conventional hot filament (HF) or microwave chemical vapor deposition (MWCVD) systems, or NCD growth through the deployment of CO₂/CO or O₂-rich gas environments. However, the use of inert gas dilution, with carbon containing species is the least complex approach to growing nanocrystalline, and more recently, ultrananocrystaline diamond (UNCD). Mechanical properties of UNCD have been determined by nanoindentation, and their nanotribological properties have been measured by nano-scratch and nano-impact testing. The relative importance of toughness (∼E/H ratio) and elastic strain-to-break (∼H/E ratio) of these systems on their behavior in nano-scratch and nano-impact tests is considered, and strategies for optimizing the deposition conditions for enhanced durability under different contact conditions are suggested in this short communication.     

超浸润金刚石薄膜的研究进展

金刚石具有极高的硬度和化学惰性,通过其表面能和微纳结构调控,金刚石薄膜构筑的超浸润表面稳定性极佳,具有重要的实际应用前景。概述了超浸润材料的特点与发展现状,介绍了人工超浸润表面的设计与制备原理,即基于分级制微纳结构和表面能建立超浸润界面体系。归纳了超浸润金刚石表面微纳结构制备原理与方法,包括"自上而下"与"自下而上"两种合成策略,并分别介绍了各策略中模板法和无模板法构筑金刚石表面分级制微纳结构的技术手段。总结了金刚石表面化学状态与浸润性能的关系,重点分析了金刚石表面氧化、氢化以及氟化处理对其表面浸润特性的影响规律,其中金刚石表面氧化处理将强化其亲水性能,而表面氢化或氟化处理将显著增强其疏水性能。在此基础上,综述了超浸润金刚石的应用,包括无损转移腐蚀性液体微滴、电解污染物以及生物医学成像等。最后,总结了超浸润金刚石合成与应用中存在的主要问题,阐述了其实际应用中面临的重大挑战,并展望了超浸润金刚石在多学科交叉领域未来的发展方向。     

刀具基体表面织构化对硼掺杂金刚石薄膜性能的影响

目的分析硼掺杂织构金刚石薄膜的微观组织结构和表面质量,并探究刀具基体表面不同织构对薄膜结合强度和切削性能的影响。方法通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法,分别在表面有椭圆织构、沟槽织构和无织构的硬质合金刀具上制备硼掺杂金刚石薄膜(BDD)。运用扫描电镜(SEM)观察各薄膜表面及横截面形貌;使用白光干涉表面三维轮廓仪观测各薄膜表面粗糙度;通过拉曼光谱仪检测各薄膜组织结构;通过铣削试验分析各薄膜刀具的切削性能。结果经测试,硼掺杂无织构金刚石薄膜(Boron doped un-textured diamond film,BDUTD film)的粗糙度为299.9 nm,硼掺杂椭圆织构金刚石薄膜(Boron doped elliptical texture diamond film,BDETD film)及硼掺杂沟槽织构金刚石薄膜(Boron doped groove texture diamond film,BDGTD film)的粗糙度分别为333、323.9nm,粗糙度略有增加。三种金刚石薄膜的厚度均为18μm,在相同切削条件下,经过铣削碳/碳-碳化硅(C/C-Si C)复合材料420 s后,BDUTD薄膜的剥落程度及其刀具磨损程度明显大于BDETD薄膜和BDGTD薄膜。结论硬质合金刀具基体表面织构化能够有效提高薄膜的结合强度,从而提高刀具的耐磨性。其中硼掺杂沟槽织构金刚石薄膜的切削性能相对更好,与普通硼掺杂金刚石薄膜刀具相比,硼掺杂织构金刚石薄膜刀具具有更长的使用寿命。     

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。