直流电弧等离子体CVD金刚石膜工艺参数优化

为了研究工艺对CVD金刚石膜生长的影响,本文采用电镜、激光Raman谱分析等手段研究工艺参数对CVD金刚石膜生长速率和生长质量的影响.结果显示:金刚石薄膜的生长速率随甲烷浓度(3%～10%)、基片温度(800～1200℃)的增加而增加,随工作气压的升高先是增加,而后降低,峰值在15～20 kPa处.金刚石薄膜中非金刚石碳的相对含量先随基片温度的增加逐渐降低,在1080～1100 ℃达到最小值以后又开始急剧增加,膜的质量(结晶形态好和非金刚石碳的相对含量少)在1080～1100 ℃处达到最佳.     

高纯、高度[100]择优取向金刚石薄膜

采用独特的形核-刻蚀-生长-刻蚀-生长…循环沉积工艺,用微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)法制备出了高纯、高度[100]择优取向的金刚石薄膜.SEM和XRD分析表明得到的膜材具有很高的[100]择优取向性;Raman光谱和SEM对照分析证实膜材的金刚石相组成纯净度高,是高纯、高度[100]择优取向的织构金刚石薄膜.暗电流I-V特性测试结果表明,这种薄膜的电阻率达到1014数量级以上,比常规工艺制备的膜高近两个数量级,是一种性能优良的电子薄膜材料.理论分析表明,薄膜电阻率大幅度提高的原因在于膜层中非金刚石相含量的显著减少.     

高纯、高度[100]择优取向金刚石薄膜

采用独特的形核-刻蚀-生长-刻蚀-生长…循环沉积工艺，用微波等离子体化学气相沉积（MWPCVD）法制备出了高纯、高度[100]择优取向的金刚石薄膜。SEM和XRD分析表明得到的膜材具有很高的[100]择优取向性；Raman光谱和SEM对照分析证实膜材的金刚石相组成纯净度高，是高纯、高度[100]择优取向的织构金刚石薄膜。暗电流Ⅰ-Ⅴ特性测试结果表明，这种薄膜的电阻率达到10H数量级以上，比常规工艺制备的膜高近两个数量级，是一种性能优良的电子薄膜材料。理论分析表明，薄膜电阻率大幅度提高的原因在于膜层中非金刚石相含量的显著减少。     

在CH4-H2微波等离子体中添加H2O对大面积金刚石膜生长的研究

用自制的微波功率为5千瓦的微波等离子体（MWCVD）装置，研究了在CH4-H2反应气体中添加安全廉价的H2O代替O2金刚石膜的沉积状况，以H2／CH4／H2O作为反应气体，成功制备了厚度达到1．1毫米，面积达20平方厘米的金刚石厚膜。在沉积温度为700-900℃范围内，研究了CH4／H2=3.0％，H2O／H2=0．0-2．4％范围内金刚石膜沉积的速率，均匀性，形貌以及质量的变化规律。研究结果表明，在反应气体CH4／H2中添加适量H2O能降低金刚石膜中非金刚石碳的含量，提高金刚石膜厚度的均匀性，并对反应气体中添加H2O对CVD金刚石膜生长影响机理进行了阐述。     

在有金属或合金参与下人造金刚石形成机理的探讨

根据实践知道,在有金属或合金存在的情况下,利用高温高压装置能成功地使石墨或其它碳素材料转变成金刚石。关于金刚石形成机理的说法各有不同,有溶剂说,催化说,固相转化说。但无论那种理论都无法完满地解释金刚石形成中出现的各种现象、并且都没有揭露过程的本质。对人造金刚石形成机理进行深入的探讨,弄清合成金刚石过程中非金刚石型碳转变成金刚石的历程,有利于解决优质单晶大颗粒金刚石生产实践中的问题,并将为发展金刚石新品     

人工合成金刚石半成品中清除非金刚石碳的新方法——滴酸法

在人工合成金刚石的半成品中，都含有相当数量的非金刚石碳。为了清除这些非金刚石碳，最常用的是若干种液相氧化法，但是存在有成本高，废料中含有可能污染环境的物质等缺点。建立了一种用硫酸和硝酸在常压下清除人工合成金刚石半成品中非金刚石碳的新方法一滴酸法。其做法是，将半成品与浓硫酸混合，加热到20℃以上，将浓硝酸缓慢滴入，进行氧化处理，这样可以使混合物保保持较高温度，从而提高了硝酸的氧化能力。经过多次试用，其操作时间和得到的结果，与以前使用的硫酸、硝酸加发烟硫酸的方法基本相同。此方法具有成本低和不产生危害环境的含金属污染物的优点。     

金刚石表面化学镀Ni-W-P层组织与性能研究

金刚石工具应用时金刚石颗粒的脱落现象比较严重,影响了工具寿命,而金刚石表面镀覆技术是解决这一问题的主要方法.实验研究了化学镀预处理的工艺参数,确定了化学镀Ni-W-P的合理配方.采用SEM、XRD等检测方法,对化学镀及热处理后金刚石表面的镀覆层进行了成分、显微组织、相结构和性能分析.结果表明,经化学镀后金刚石表面能形成较致密的镀覆层,抗压强度提高,最大幅度可达到27.1%.经过850℃热处理,金刚石表面与镀层之间形成了WC碳化物,化学镀再经热处理后金刚石的抗压强度会降低,要比未镀覆和化学镀的金刚石抗压强度分别降低了43.3%和27.2%.化学镀所形成的镀层对金刚石表面有保护作用,使金刚石的耐热蚀性增强.     

自支撑金刚石膜的生长特征对断裂强度的影响

研究了自支撑今刚石膜的生长取向特征、表面形貌和质量对断裂强度的影响。X射线衍射和断裂强度的结果表明,随着衍射强度比值I(111)/I(220)的增大,断裂强度呈下降趋势。堆积在晶粒间界处的二次形核生长的小晶粒,覆盖晶粒间界的缝隙,在柱状晶粒间形成类似的搭桥效应,增强柱状晶之间的相互作用能,提高柱状晶结构的抗破断能力,金刚石膜中出现的非金刚石相将降低金刚石厚膜的断裂强度。     

化学气相沉积金刚石膜工业应用

成果成熟程度 已经解决在硬质合金衬底上生长均匀致密、附着 良好的金刚石膜的技术 成果的特点 金刚石薄膜涂层硬质合金工具由于性能优异、成 本相对较低(与PCD和金刚石厚膜钎焊工具相比)、可 以适应于复杂形状工具衬底沉积、以及可能大批量沉 积等优点,具有非常好的市场前景. 金刚石薄膜涂层硬质合金工具开发的关键是解决 金刚石薄膜在硬质合金衬底上的生长(沉积)和良好附 着的技术.本项目成果采用独特的衬底预处理和优化 的金刚石膜沉积工艺已经解决了Co对金刚石膜生长 和附着的有害影响问题.在YG类硬质合金工具衬底 所沉积的金刚石膜涂层厚度最大可达20～30μm.用洛 氏硬度压痕法评定的金刚石膜附着力时的无裂纹临界 载荷达1500N以上.在铣削A1-12wt%Si合金时,金 刚石薄膜涂层的YG6铣刀比未涂层硬质合金刀片使 用寿命可提高13倍以上.     

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。     

高取向低粗糙度金刚石薄膜生长的研究

目的研究热丝化学气相沉积(HFCVD)工艺对金刚石薄膜生长的影响,确定影响金刚石薄膜生长的因素。方法采用热丝CVD法,以丙酮为碳源,在不同晶面的Si衬底上沉积金刚石薄膜,通过金相显微镜、X射线衍射仪分析薄膜生长特性。结果不同沉积温度下生长的金刚石薄膜表面形貌差异很大。在高、低碳源浓度下分别获得了(400)和(111)晶面取向的金刚石薄膜。采用分步沉积法,改善了成膜的效率。结论气源浓度和生长温度是影响金刚石薄膜生长的重要因素,分步沉积法对于金刚石薄膜的生长有较大影响。     

碳源浓度对金刚石薄膜涂层刀具性能的影响

用热丝ＣＶＤ法,以丙酮为碳源,在ＷＣ－Ｃｏ硬质合金衬底上沉积金刚石薄膜,研究了碳源浓度对金刚石薄膜涂层刀具性能的影响,结果表明,碳源浓度对金刚石涂层薄膜质量、形貌和粗糙度、薄膜与衬底间的附着力、刀具的耐用度用度发削性能有显著影响,合理控制碳源浓度对获得实用化的在硬质合金刀具基础上沉积高附着强度、低粗糙度金刚石薄膜的新技术具有重要的意义。     

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。     

CVD金刚石薄膜窗口试样制备及力学性能测量

本文以氢气和丙酮为原料，采用电子增强热线CVD法，在硅片（100）基体上沉积一层金刚石薄膜，并采用光刻法和显式各向异性刻蚀技术制备出金刚石薄膜自支撑窗口试样，实验结果表明，所制备的金刚石薄膜自支撑窗口刻蚀彻底，形状规则，能够很好地满足鼓泡法的实验要求，对CVD金刚石薄膜力学性能的测量具有重要意义。     

金刚石衬底的V2O5薄膜激光损伤阈值研究

目的探究V_2O_5薄膜厚度对其抗激光损伤性能的影响。方法通过射频反应磁控溅射法在光学级单晶金刚石衬底表面制备了不同膜厚的V_2O_5薄膜。采用脉宽为10 ns、波长为1064 nm的脉冲激光器对薄膜样品进行光学响应曲线测试,测得薄膜相变前后透过率变化情况及相变开关时间,以判断薄膜是否发生损伤,并根据损伤几率得到激光损伤阈值。结果实验制备的薄膜为组分单一的多晶V_2O_5,在(001)面具有明显择优取向。同一膜厚下(350 nm),随着激光能量密度的增加,薄膜的相变关闭时间由1.48 ms单调减小至0.64 ms,相变回复时间则由11.6 ms单调增加至20.4 ms,相变后的透过率由19%单调减小至8%,回复后的透过率由77%单调减小至51%。薄膜膜厚在150～550 nm的范围内,其激光损伤阈值随着膜厚的增加呈现出先增后减的趋势;当膜厚等于250 nm时,激光损伤阈值达到最大值,为260 mJ/cm~2;膜厚为550 nm时,激光损伤阈值最小,仅为209 mJ/cm~2。结论 V_2O_5薄膜厚度对其抗激光损伤性能具有较大的影响,合理地控制膜厚,能够有效提高激光损伤阈值,从而提高基于金刚石衬底的V_2O_5薄膜的抗激光损伤能力。     

Growth of Free-standing Diamond Films on Graphite Substrates with Ti Interlayers

DIAMOND has many remarkable chemical andphysical properties,such as extreme hardness,highthermal conductivity,high electrical resistively andexcellent optical transparency and so on.For diamond,approximately5.5ev is required to excite an electronfrom the valence band to the conduction band,compared with1.1ev for Si and0.7ev for Ge m.Therefore,Diamond is a wide band gap material.Furthermore,due to the high vibration energy of carbonatoms in diamond,the frequency of infrared absorptionis abn…     

人造金刚石单晶铁基金属包膜的精细结构

利用扫描Auger微探针和X射线光电子能谱等手段,研究了包覆着高温高压金刚石单晶的铁基金属包膜（Fe—Ni—C合金)的精细结构．结果表明,仅在临近金刚石单晶的包膜内层,C和Fe原子的精细结构有一明显变化;在接触金刚石单晶的包膜表面上,Fe,Ni最外层电子的结合能比包膜其它区域明显增高据此认为,邻近金刚石的包膜内层和接触金刚石的包膜表面在金刚石生长中起重要作用,Fe,Ni原子对C原子的催化很可能是在包膜内层或在金刚石／包膜界面上完成的．     

PECVD制备六方金刚石结构碳氢薄膜

利用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在单晶硅(100)表面上制备了一层含有六方金刚石结构的碳氢薄膜。采用透射电子显微镜和拉曼光谱仪对薄膜结构进行表征;并用Nano-indenterⅡ型纳米压痕仪和CSM—摩擦磨损试验机对薄膜的力学性能和摩擦学性能进行了测试。结果表明:该碳氢薄膜含有六方金刚石结构,另外还含有少量的纳米弯曲石墨片段;与制备的类金刚石碳氢薄膜相比,该薄膜具有较好的力学性能,同时该薄膜在空气环境下表现出了较好的摩擦学性能。     

金刚石薄膜膜基界面结合强度测量技术的研究进展

膜基界面结合强度的测量与评价是金刚石薄膜制备与应用关键问题，本文介绍了国内外金刚石薄膜膜基界面结合强度的几种典型的测量方法，着重探讨了膜基界面结合强度的精确定量测量技术的研究现状以及发展趋势，提出了用一种新的内涨鼓泡测量法，对复杂形状基体上金刚石薄膜膜基界面结合强度进行精确定量检测，为金刚薄膜的制备工艺优化及其质量的评估提供可靠的依据和标准。     

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。