军用纳米金刚石膜的研究与应用综述

对金刚石膜(及类金刚石膜)与传统光学材料的特性作了比较，分析了美军对于金刚石膜军用光学应用的需求以及金刚石膜在现有高科技武器装备中的应用前景，介绍了研制纳米金刚石膜的关键技术问题(主要是CVD和PLD方法)以及国内外研究和应用现状。     

纳米金刚石膜的成核及生长特性研究

采用直流等离子体喷射化学气相沉积(DC arc pla sma jet)系统制备了纳米金刚石膜(NCD),研究了不同的金刚石成核剂溶液对NCD 膜的成核及生长的影响。研究表明,在成核剂溶液中添加二甲基亚砜(DMSO)后成核密度明显 得到提高,而 且制备的NCD膜晶粒分布均匀、致密。当金刚石粉体作为成核剂时,随着其粒径 的增大,NCD膜成核密度下降,晶粒的尺寸均匀性也变差,而粒径为5nm的金刚石纳米粒 子作为成核剂时,NCD膜晶粒间结合致密、颗粒分布均匀。最后,选择5nm的金刚石纳米 粒子和丙酮/DMSO配制的分散液作为成核剂配方,经过60min的生长 ,制备了粒径为50～70 nm的结晶性和品质良好的NCD膜,适用于高频声表面波(SAW)器件及各种光学窗口的研制。     

金刚石膜及类金刚石膜的光学应用研究进展

金刚石膜及类金刚石(DLC)膜由于具有宽光谱透过率高、硬度高、摩擦系数小、化学稳定性好等优点,可以作为多种光学材料如硅、锗、玻璃、硫化锌、MgF2,HgCdTe,KCl等的增透/保护膜,起到抗磨损、抗腐蚀、抗潮解和抗氧化的作用.金刚石膜及类金刚石膜已被应用于太阳能硅电池、高功率CO2激光器窗口、潜望镜红外(IR)窗口、飞机前视红外窗口、导弹头罩窗口和宇航探测器等.总结了这一方面的应用和研究进展,展示了金刚石膜及类金刚石膜巨大的优越性与广阔的应用前景.     

EA-HFCVD 沉积纳米金刚石膜的光致发光分析

采用电子辅助-热丝化学气相沉积法(EA-HFCVD)在硅片上沉积出晶粒尺寸为30nm的均匀金刚石膜。生长过程中,预先加6A偏流生长1h,然后在0.8kPa条件下,无偏流生长3h。光致发光谱中存在4个发光中心分别位于1.682eV,1,564eV,1,518eV和1.512eV的发光峰。1.682eV处发光峰源于衬底硅原子掺杂于膜中引起的缺陷;其他发光峰源于金刚石晶格振动声子。光致发光强度越大对应的缺陷密度越大,从而降低了场发射域值电场强度,其关键可能源于金刚石膜电导型晶界。     

外延纳米金刚石膜及其场发射特性

研究了纳米金刚石外延薄膜的制备方法及其场发射特性。采用电泳方法将粒径20nm以下的纳米金刚石微品沉积到Ti电极衬底上，用热丝CVD方法在纳米金刚石微晶薄膜上再外延生长一层含非晶碳金刚石薄膜。用Raman光谱研究了外延纳米金刚石薄膜的结构并在高真空条件下研究了其场发射特性。     

纳米金刚石薄膜的光学性能研究

用热丝化学气相(HFCVD)法在硅衬底上制备了表面光滑、晶粒致密均匀的纳米金刚石薄膜,用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)观测薄膜的表面形貌和粗糙度,拉曼光谱表征膜层结构,紫外-可见光分光光度计测量其光透过率,并用椭圆偏振仪测试、建模、拟合获得了表征薄膜光学性质的n,k值.结果表明薄膜的晶粒尺寸在100nm以下,表面粗糙度仅为21nm;厚度为3.26(m薄膜在632.8nm波长处的透过率为25%,1100nm波长处达到50%.采用直接光跃迁机制估算得到纳米金刚石薄膜的光学能隙(Eg)为4.3 eV.     

激光在硅基底沉积类金刚石膜的光学应用

研究了氧气氛和掺硅对类金刚石(DLC)膜性能的影响机理.采用飞秒激光烧蚀石墨靶材,通过氧气氛、掺硅和离轴平移旋转等技术,在硅基底上镀制出比传统工艺透过率、硬度、附着力和稳定性等性能更优的无氢DLC膜.实验验证了随着氧气氛压强的增大,样片透过率先增大后减小,存在一个最佳气压(2 Pa).并且掺硅有助于改善DLC膜的性能,掺硅量也存在一个最佳值.在3-5 μm波段,正面镀DLC膜、背面镀普通增透膜的硅红外窗口的平均透过率≥91.7%,DLC膜的纳米硬度高达40～50 GPa.且通过军标规定的高温、低温、湿热、盐雾、重摩擦等环境实验.满足光学窗口工程应用的要求.     

常规与纳米金刚石薄膜介电性能的比较

用热丝CVD方法制备了常规和纳米金刚石薄膜。测量了其电阻率、介电常数和损耗角正切值。实验结果表明,常规金刚石薄膜的电导率、损耗角正切值均小于纳米金刚石薄膜,介电性能比较理想。两种薄膜的介电 常数基本相同,损耗角正切值在10^5Hz处都有弛豫极大值,表明在该频率范围内,主要为弛豫损耗机制。电导率和损耗的大小可能与晶界处缺陷和非金刚石相的多少有关。     

纳米Mo膜的光学特性及最小连续膜厚研究

利用Lambda-900分光光度计，在波长为310～1250nm范围内测量了离子束溅射沉积不同厚度纳米Mo膜的反射率和透射率。选定波长为310nm，350nm，400nm，500nm，550nm，632nm，800nm，1200nm时对薄膜的反射率、透射率和吸收率随膜厚变化的关系进行了讨论。实验结果显示，纳米Mo膜的光学特性有明显的尺寸效应。提出将薄膜对光波长为550nm时的反射率和透射率随Mo膜厚度变化关系的交点对应的厚度作为特征厚度，该厚度可认为是纳米Mo膜生长从不连续膜进入连续膜的最小连续膜厚。利用原子力显微镜(AFM)观测膜厚在15．76nm时的表面形貌，此时表面形貌已呈现连续膜的特征。     

碳纳米管在金刚石薄膜化学沉积上的应用

碳纳米管的端头部位,具有一定的金刚石结构。用于金刚石薄膜气相化学沉积,作为籽晶,可使薄膜沉积的速度加快,结晶的定向性强,生长的温度低等优点。本文探讨了碳纳米管的结构,初步研究了其在金钢石薄膜气相化学沉积上的应用,得到了较好的〈１００〉方向结果的薄膜。     

金刚石薄膜上的高频高功率声表面波滤波器

设计了一种Si基金刚石薄膜上的SAW RF MEMS滤波器,其中心频率为400MHz,叉指换能器（IDT）线宽为5μm。采用中物超硬材料公司定制的硅基金刚石薄膜基片,利用射频溅射方法在金刚石薄膜上制备了厚度为2μm的ZnO压电薄膜,XRD分析证明其具有良好的C轴取向。采用剥离工艺制备IDT,通过精细的工艺控制,得到了设计的IDT图形。最后,对该滤波器样品进行了封装和测试。测试结果表明,其中心频率为378MHz,插损为15.9dB。     

金刚石薄膜气相外延生长

本文介绍了用微波化学气相沉积法,以丙酮、氢体系为研究对象,以 SDA级、毫米级人造金刚石单晶为基体,金刚石(100)、(110)、(111)晶面的气相外延生长的研究,对单晶外延生长条件进行了初步的探讨,使用RED、SEM、MLRS等检测手段,对生长的外延层进行检测。     

采用微波等离子体平整金刚石薄膜的实验研究

金刚石薄膜的表面平整是金刚石薄膜应用于光学、电学等领域的关键。采用氧气作气源，研究了微波等离子体工艺参数如微波功率、基台位置、氧气流量对平整金刚石薄膜效果的影响。处理后的样品用SEM、AFM观察表面形貌、测试了表面粗糙度。实验表明微波等离子体工艺参数对金刚石薄膜的表面平整效果有显著影响，并且这些参数是相互关联的。在适宜的条件下，金刚石薄膜的表面粗糙度明显降低，约为处理前的一半。该法可对金刚石薄膜进行原位处理，方便有效。     

CVD金刚石在电真空器件中的应用

介绍了化学气相沉积（CVD）金刚石膜应用于电真空器件夹持杆及输能窗方面的研究进展,和国外对CVD金刚石封接的几种技术解决方案以及国内CVD金刚石膜金属化及封接方面的研究情况。     

C-H体系CVD金刚石薄膜取向生长的热力学分析

化学气相淀积金刚石薄膜过程中 ,CH3 和C2 H2 是金刚石生长的主要前驱基团。C2 H2 与CH3 浓度比 ( [C2 H2 ]/[CH3 ])的变化将影响金刚石薄膜的生长取向。用非平衡热力学耦合模型计算了C H体系CVD金刚石薄膜生长过程中C2 H2 浓度和CH3浓度随淀积条件的变化 ,并进一步获得了 [C2 H2 ]/[CH3 ]随衬底温度和CH4浓度的变化关系 ,从理论上探讨了金刚石薄膜 ( 1 1 1 )面和 ( 1 0 0 )面取向生长与淀积条件的关系。在衬底温度和CH4浓度由低到高的变化过程中 ,[C2 H2 ]/[CH3 ]逐渐升高 ,导致金刚石薄膜的形貌从 ( 1 1 1 )晶面转为 ( 1 0 0 )晶面。     

金刚石薄膜场发射显示器

简要介绍了一般ＦＥＤ（场发射显示器）的工作原理,研究了非晶金刚石薄膜低场发射特点,讨论了金刚石薄膜制做场发射器的可行性;指出利用金刚石薄膜和阳极选择的方法可对Ｓｐｉｎｄｔ ＦＥＤ进行改进,从而使平面ＦＥＤ更容易实现。     

衬底位置对大面积CVD金刚石薄膜质量的影响

采用石英钟罩式微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)设备制备了大面积金刚石薄膜,结合X射线衍射谱(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和激光喇曼(Raman)谱等实验手段,较系统地研究了衬底位置对金刚石薄膜质量的影响规律.结果表明,在等离子体球内部的空间范围内,距等离子体球中心垂直距离越远衬底上所沉积的金刚石薄膜质量越好;通过调整衬底位置,可明显改善其上不同区域所沉积的金刚石薄膜质量,最后在等离子体球边缘附近可沉积出晶粒均匀一致几乎不舍非晶碳的大面积高质量金刚石薄膜.此研究为进一步改善大面积金刚石薄膜均匀性和薄膜质量提供了一种实用的途径.     

金刚石薄膜作为红外窗口增透膜或保护膜的研究进展

本文综述了金刚石薄膜作为红外窗口增透膜或保护膜的最新研究进展,讨论了目前存在的问题和未来的发展。