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／cm^2．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)均匀外延形棱，取向关系为D(110)∥Si(110)及D(100)∥Si(100)，形核密度高达5×10°/cm^2、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歧SEM分析一致，表明了阴极鞘层对于金刚石异质外蜒形桉具有决定作用．并据此讨论了进一步改善异质外延形核均匀性的途径。     

电流密度对铌表面熔盐脉冲电沉积渗硅的影响

采用熔盐脉冲电沉积法在纯铌表面渗硅,利用辉光放电光谱仪（GDOES）、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）分析不同电流密度对渗硅层厚度、成分、组织及相结构的影响,并对渗硅层的抗氧化性进行了研究。结果表明,渗硅层厚度随电流密度的增大而增加,超过100 mA/cm2厚度增加缓慢。渗硅层晶粒随电流密度的增加由粗大变得细小。渗层与基体结合紧密,渗层组织较均匀整齐,致密无孔洞。渗硅层由单相NbSi2组成,在（110）和（200）晶面上择优生长。NbSi2渗层提高了纯铌的抗氧化性。     

AZ91D镁合金微等离子体氧化陶瓷层的耐腐蚀性研究

采用微等离子体氧化方法在AZ91D镁合金表面制备陶瓷层。利用扫描电镜、X射线分析陶瓷层微观组织结构，通过盐雾试验方法测试处理过的AZ91D镁合金耐腐蚀性能。结果表明，AZ91D镁合金经过微等离子体表面氧化处理后，陶瓷层由表面的疏松层和内部致密层所组成，疏松层里有较多的孔隙；致密层孔隙较少且与基体结合牢固；微等离子体氧化陶瓷膜的相结构主要由MgAl2Si3O12，β-Mg2SiO4，（Mg4A114）（Al4Si2）O20等含硅的尖晶石型氧化物和δ-MgAl28O4等Mg，Al复合氧化物构成。AZ91D镁合金经微等离子体氧化处理后，基体被氧化膜覆盖，使其抗腐蚀性能显著提高，试样表面有陶瓷膜的AZ91D镁合金在盐雾试验中的腐蚀速率是AZ91D镁合金腐蚀速率的1／8．61。     

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。     

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。     

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。     

直流等离子体-热丝化学气相沉积金刚石薄膜的研究

通过在传统热丝化学气相沉积装置中引入直流等离子体,设计了直流等离子体-热丝化学气相沉积金刚石薄膜的设备,设备中既包括相互独立的灯丝电压和施加的偏压。通过调节偏压可以控制所形成的等离子体的偏流。在这一改进的系统中研究了金刚石薄膜形核和生长过程,利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）分析了金刚石的样品,结果表明,施加偏压不仅能大大促进金刚石的形核密度（10^10cm^-2）、提高金刚石薄膜的生长速率,金刚石薄膜的取向也随机取向变为（111）定向生长。     

CVD金刚石薄膜及膜-基界面形态

采用直流等离子体财流CVD法在硬质合金基体上沉积了多晶金刚石薄膜,借助XRD、Raman光谱、SEM和EPMA等对金刚石薄膜及膜-基界面的结构、形貌和成分进行了研究.结果表明,结晶度高的刻面型金刚石薄膜质量、纯度较好,膜-基界面处较致密,机械锚固作用明显,结合性能较好沉积前后基体表面形貌变化很大,存在数十微米厚的脱钴-等离子体刻蚀层,等离子体刻蚀导致脱钻表面更加凹凸不平,为金刚石形核提供了有利条件.     

Si含量对Al-xSi合金表面PEO陶瓷层形成过程及性能的影响

研究了Si含量对铸造Al-XSi合金表面PEO陶瓷层形成过程及隔热性能和硬度的影响。采用SEM、XRD和EDS对陶瓷层微观结构和物相进行了分析,并运用自制的隔热温差测量装置和维氏显微硬度仪对其隔热性能及硬度进行了测试。结果表明:在等离子体电解氧化初期,硅原子以及第二相Al_3Cu Ni都会阻碍微弧放电,抑制铝氧化膜的形成,降低膜层的致密性;随着基体中硅含量的升高,Al-XSi合金内初生硅、共晶硅含量增多,出现硅颗粒的堆积现象,等离子体放电越困难,涂层的生长速率降低,陶瓷层中α-Al_2O_3及Si O_2的含量随之升高,隔热温度也随之升高,硬度下降。     

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。     

异质外延生长金刚石薄膜的研究

本文用氢气、丙酮作为气体源，用微波等离子体化学气相沉积方法，在ＣＢＮ单晶的（１１１）晶面及单晶硅的（１００）晶面上进行了金刚石薄膜异质外延生长的研究。用ＳＥＭ、ＭＬＲ和Ｘ－ｒａｙ衍射方法对试验结果进行了观察、分析。通过实验发现，在ＣＢＮ单晶的（１１１）晶面及单晶硅的（１００）晶面上直接实现金刚石薄膜的异质外延生是不太可能的。     

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。      

纳米金刚石膜真空窗口的制备

使用自制的微波等离子体化学气相沉积装置,以乙醇为碳源在（100）硅表面制备了金刚石膜;然后用浓硝酸和氢氟酸的混合溶液腐蚀硅,制备出金刚石膜窗口。使用场发射扫描电镜（SEM）、X射线衍射、拉曼光谱（Raman）、原子力显微镜（AFM）表征和分析金刚石膜,并以自制的漏气率测量系统测量金刚石膜窗口的漏气率。结果表明:金刚石膜的厚度为15 μm,平均粗糙度值R_a为39.5 nm,晶粒的尺寸大小为30 nm,漏气率为8.8×10-9 Pa·m3/s。      

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。     

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。      

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。     

窄脉冲保形全方位离子注入技术

叙述了全方位离子注入过程中,由于被处理零件与其周围离子鞘层之间厚度的增加,引起零件与鞘层之间保形性变差,导致零件表面注入剂量不均匀性;文中系统分析了注入电压、等离子体密度、脉冲宽度和脉冲频率等处理工艺参数对注入剂量不均匀性的影响,用鞘层动力学计算机数值模拟方法从理论上研究了轴承内外圈处理中工艺参数对注入剂量不均匀性的影响,并用实验方法进行了测量验证,理论研究和试验测量结果的一致性,说明所提出的窄脉冲保形全方位离子注入技术完全适用于复杂形状零件表面均匀强化处理。     

二氧化碳对金刚石膜生长的影响

利用微波等离子体化学气相沉积法,以H₂/CH₄/CO₂为混合气源,在Si基底上沉积金刚石膜,分析了微波功率和CO₂对金刚石膜生长的影响。利用Raman光谱、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征金刚石膜,以得到样品质量、表面形貌、晶粒取向等信息。结果表明:适当提高微波功率,可以促进金刚石晶粒长大并提高（100）取向度;加入适量CO₂,能提高金刚石膜质量和生长速率,并保持表面形貌不会发生明显变化,但随着CO₂含量的增加,金刚石表面形貌发生较大变化,薄膜质量和沉积速率先提高后降低。      

铜基体表面CVD单晶金刚石微粉的制备

采用基体自形核法,研究了光滑铜基体表面超声研磨预处理对基体表面CVD单晶金刚石微粉沉积的影响。研究结果表明:未经超声研磨预处理的光滑铜基体表面,单晶金刚石微粉形核密度极低;预处理时间不超过1 min时,可以在光滑铜基体表面获得形核密度较高又不会相互连接的单晶金刚石微粉;预处理时间超过2 min时,形核密度过高,金刚石晶粒会相互连接,甚至生长成膜。本实验沉积出的金刚石微粉纯度高,非晶碳含量少,表面光滑,可以观察到（111）和（100）面,具有立方-八面体构型,符合高品级人造金刚石磨料的要求。      

等离子体对钽表面渗氮处理的影响

采用SEM,XRD等手段对钽在氢与氮等离子体中形成的表面层进行了分析,试验表明,在外界参数相同的情况下,H N等离子体的存在改变了Ta表面在H-O-N气氛中的反应路径,使反应产物由无等离子体时的Ta2O5变成了Ta6N2.57,因此处理后的表面粗糙度比无等离子体时下降了一个数量级;对等离子体的作用机理进行了探讨,认为是等离子体的存在改变了介质成分和Ta表面附近的“阴极鞘层”与Ta表面相互作用抑制了粗糙的Ta2O5形成。