微波PCVD法大尺寸透明自支撑金刚石膜的制备及红外透过率(英文)

采用微波PCVD方法制备出直径50mm膜厚300μm的大尺寸透明自支撑金刚石膜。在甲烷体积分数2%的条件下制备的透明自支撑金刚石膜经过两面抛光后在500cm-1~4000cm-1红外波段范围内红外透过率达到70%,但是其生长速率只有1μm/h^2μm/h。在体积分数4%甲烷浓度下制备的自支撑透明金刚石膜,其生长速率达到7μm/h^8μm/h,经过两面抛光之后膜厚为260μm的金刚石膜的在500cm-1~4000cm-1红外波段范围内红外透过率达到60%左右,而且膜中心和边缘区的红外透过率基本相同。这些结果为大尺寸金刚石厚膜在红外窗口上的实际应用奠定了基础。

直流等离子体喷射制备无裂纹自支撑金刚石膜体的晶体组织设计(英文)

在自支撑金刚石膜体中发现网状、河流状和环状三种裂纹形式 ,这几种裂纹形式依沉积温度不同而不同。首次采用了原子力显微镜分析了金刚石自支撑膜体裂纹断裂机制 ,发现了穿晶断裂和沿晶断裂两种机制 ,其中 ,在网状裂纹中 ,穿晶断裂机制占主要地位 ;环状裂纹中 ,沿晶断裂机制占主要地位 ,而河流状裂纹是两种机制的混合。对应X射线衍射结果 ,(111)晶面占优的膜体易于开启穿晶断裂机制 ,(2 2 0 )晶面占优的膜体易于开启沿晶断裂机制。使用Raman谱测试的膜体中的本征应力在几十到几百MPa之间 ,且在膜体中存在应力剖面分布。Raman谱的结果还显示低缺陷的膜体组织有利于阻挡裂纹扩展。通过建立简单力学分析模型 ,推测了膜体组织对断裂强度的作用。根据实验结果和力学模型 ,制备了最厚 2mm、最大直径 12 0mm的无裂纹自支撑金刚石膜。

用镀有钛过渡层的钼衬底制备无裂纹自支撑金刚石膜

为了解决金刚石膜脱膜开裂的问题,尝试了一种复合衬底,即镀有钛过渡层的钼衬底。利用直流等离子体喷射法在复合衬底上制备了不同厚度无裂纹的自支撑金刚石膜。用扫描电镜(SEM)、拉曼谱和X射线衍射表征金刚石膜的特征,并检测了其断裂强度。结果表明,用复合衬底制备的金刚石膜在950℃具有最小半高宽,在实验温度下所获得的金刚石自支撑膜的断裂强度均超过了500MPa。

直流电弧等离子体区域电弧分布特征对自支撑金刚石膜性质的影响

直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜时,电弧区域可分为弧心、弧干和弧边三个区域。本文运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光Raman光谱、正电子湮没寿命谱(PAL)和力学性能实验机研究了同一块自支撑金刚石膜不同区域的生长面形貌、晶体取向、内应力、空位缺陷和断裂强度。结果表明:随着与直流电弧等离子体弧心距离增加金刚石膜生长更稳定,(220)取向晶粒减少,平均空位缺陷减少,内应力和断裂强度呈现先增大后减小的趋势。

采用DC Arc Plasma JetCVD方法沉积微/纳米复合自支撑金刚石膜

在30kW级直流电弧等离子体喷射化学气相沉积(DC Arc P lasm a Jet CVD)设备上,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过调节甲烷浓度以及控制其他沉积参数,在Mo衬底上沉积出微/纳米复合自支撑金刚石膜。实验表明,当微米金刚石膜层沉积结束后,在随后的沉积中,随着甲烷浓度的增加,金刚石膜表面的晶粒大小是逐渐减小的。当甲烷浓度达到20%以上时,金刚石膜生长面晶粒呈现菜花状的小晶团,膜体侧面已经没有了粗大的柱状晶,而是呈现出光滑的断口,对该层进行拉曼谱分析显示,位于1145 cm-1附近有一定强度的散射峰出现。这说明所沉积的晶粒全部变为纳米级尺寸。

用有限元模拟的方法研究大面积自支撑金刚石膜沉积过程中的热应力

建立了没有过渡层和有过渡层的有限元模型,对大面积自支撑金刚石膜沉积过程中的热应力进行了研究。分别计算了在常用金属材料钼、钨、镍作衬底和用镀有钛过渡层的钼作衬底的情况下,膜/衬底间的热应力分布情况。模拟与实验的结果表明,在大面积自支撑金刚石膜沉积过程中,采用镀有钛过渡层的钼作衬底有利于热应力的释放,从而可能制备出高质量的大面积无裂纹金刚石膜。

自支撑金刚石膜冲蚀磨损研究

在研制的高压气动冲蚀磨损实验系统中对自支撑金刚石膜(抛光和未抛光)的冲蚀磨损进行了研究。比较了冲蚀磨料(SiO2,Al2O3,SiC和玻璃珠)、冲蚀角度、冲蚀速度,以及冲蚀时间对冲蚀磨损率的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了冲蚀磨损后金刚石膜表面形貌,对其进行了Raman光谱分析,并测定了抛光金刚石薄膜红外透过率的变化。结果表明,随冲蚀磨料硬度、冲蚀角度以及冲蚀速度的增加,自支撑金刚石膜的冲蚀磨损率增加。由于抛光和未抛光的金刚石薄膜表面形貌的差异,使得它们的冲蚀磨损率随冲蚀时间的变化过程不同。Raman光谱检测结果显示,由于冲蚀作用,金刚石膜表面部分碳的键合类型发生改变。冲蚀磨损使得抛光金刚石薄膜红外透过率降低,采用180目SiC磨料,在134 m/s的速度下冲蚀4 h,红外透过率降低约20%。

射频磁控溅射Si过渡层对自支撑金刚石膜形核面的影响

采用射频磁控溅射法在镜面抛光单晶硅片表面制备Si过渡层,然后以甲烷和氢气为反应气体,采用热丝化学气相沉积法制备金刚石膜,去除基体Si和Si过渡层后,在自支撑金刚石膜的形核面上采用射频磁控溅射法沉积ZnO薄膜。通过X线衍射、Raman光谱分析、场发射扫描电镜和原子力显微镜等对膜层的表面形貌和微观结构进行测试与表征。结果表明:相对于无过渡层的样品,溅射Si过渡层能有效增加单晶硅基体表面金刚石的形核密度,降低金刚石膜形核面上非金刚石相的含量,提高金刚石膜的质量,所得金刚石自支撑膜的形核面更加光滑,表面粗糙度从6.2 nm降低到约3.2 nm,且凸起颗粒和凹坑等缺陷显著减少,在形核面上沉积的ZnO薄膜具有较高的c轴取向。

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。

大面积自支撑金刚石膜的机械研磨研究

用100 kW级直流等离子体喷射系统制备金刚石自支撑膜,采用机械研磨方法对其进行平坦化加工。实验研究了不同研磨盘转速和不同压力对研磨的影响,分别用扫描电镜、数显千分表和X射线光电子能谱仪对金刚石膜研磨前后的表面形貌、厚度和金刚石去除机理进行了表征和分析。结果表明:研磨的转速和压力对膜的表面形貌和磨削速率影响非常明显,研磨盘转速为40 r/min,压力为0.50 MPa时,研磨效果较佳,磨削速率达到了80.5μm/h;研磨后的金刚石表面未发现有铁元素存在,金刚石的去除机理主要为微切削和应力诱导的金刚石膜局部石墨化。

一种自支撑金刚石膜的制备方法

本发明公开了一种自支撑金刚石膜的制备方法，属于化学气相沉积金刚石膜技术领域。本发明方法首先在硅基片上表面及侧表面预沉积一层钛金属涂层，然后在含钛金属涂层的硅基片上表面再沉积一层钼金属涂层，再采用化学气相沉积方法在预沉积钛／钼复合金属涂层的硅基片上表面沉积金刚石膜，最后使用草酸溶液腐蚀样品得到自支撑金刚石膜并回收硅基片重复使用。与现有技术相比，本发明具有的优点有：金刚石膜形核快，能缩短沉积时间；硅片可以重复使用，能降低生产成本；能够避免常规酸腐蚀硅基片时造成的环境污染。

微/纳米多层金刚石自支撑膜的制备及生长特性的研究

在30kW级直流电弧等离子喷射化学气相沉积装置下,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在钼衬底上分别制备了普通微米自支撑膜及多层金刚石自支撑膜并对其进行研究。结果显示,同普通微米膜相比,多层膜体是由微米晶金刚石层和纳米晶金刚石层组成,表面光滑,微米层与纳米层间具有相互嵌套式的界面;多层膜中各层膜体的内应力沿生长方向有明显变化,出现一个从压应力到拉应力变化的过程;在沉积过程中,随着层数变化,膜体的生长速率也发生相应的变化。

微纳米复合金刚石自支撑膜的制备及微观结构的研究

在30 kW级直流电弧等离子喷射化学气相沉积装置下,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在多晶钼衬底上制备了微纳米复合多层金刚石自支撑膜。采用拉曼光谱对其进行成份分析、SEM观察膜体表面形貌,采用聚焦离子束(FIB)技术对其进行原位刻蚀,用高分辨电镜观察对其进行微观表征。结果显示,同普通微米膜相比,多层膜体是由微米晶金刚石层和纳米晶金刚石层组成,表面光滑,微米层与纳米层间具有相互嵌套式的界面,微/纳米复合多层金刚石自支撑膜中包含有纳米级金刚石晶粒、微米级金刚石晶粒和无定形碳。

微/纳米复合多层金刚石自支撑膜的制备及应力研究

利用大功率DC Arc Plasma Jet CVD装置,采用Ar-H2-CH4混合气体为气源,通过优化工艺参数,在多晶钼衬底上制备出了多层复合金刚石自支撑膜。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光拉曼谱(Raman)对膜体进行表征,结果显示,多层膜体的组织结构体现了微米金刚石与纳米金刚石的典型特征;复合金刚石自支撑膜具有光滑的表面,微米层与纳米层间呈相互嵌套式的界面;此外,利用激光拉曼谱分析了多层膜中的内应力状态,研究发现,多层膜中各层膜体具有不同的内应力状态,内应力沿膜体生长方向有明显变化,呈现出从压应力到拉应力的变化过程。

高质量自支撑CVD金刚石膜的氧化行为

研究了气体循环模式下的直流等离子体喷射CVD自支撑高质量金刚石厚膜高温氧化行为。结果表明,金刚石膜在大约650℃开始氧化,氧化速度随着温度的升高而快速增加;高温氧化将导致金刚石膜的力学、光学和热学性能的下降,多晶金刚石膜晶界的优先氧化损伤是造成其综合性能下降的主要原因。高质量的自支撑金刚石膜不适合在空气中700℃以上长时间工作,但在800℃以下短时间(3min内)工作是安全的。

用人工神经网络预测电铸自支撑金刚石-镍复合膜沉积结果

用人工神经网络预测了电铸自支撑金刚石-镍复合膜中金刚石颗粒的含量、复合膜的厚度和表面微观形貌。结果表明,当阴极电流密度小于1.0A/dm2时,复合膜的表面均匀,无镍瘤;复合膜的沉积速率约为14μm/h。其预测的沉积结果与实际样品测量值接近,相对误差小于9.9%。人工神经网络能够充分体现电镀工艺参数与沉积结果之间的非线性关系和隐含关系,训练精度较高,具有较高的预测能力。

大面积无衬底自支撑金刚石厚膜沉积

讨论了在采用直流电弧等离子体喷射CVD工艺沉积大面积无衬底自支撑金刚石厚膜时遇到的若干技术问题．在制备过程中经常出现的膜炸裂现象，主要是由于膜和衬底材料线膨胀系数差异引起的巨大热应力，而衬底表面状态的控制、沉积过程中工艺参数的优化和控制也是一个重要的因素．因此，必须对整个金刚石厚膜沉积过程进行严格而系统的控制，才能有效地保证获得无裂纹大面积金刚石自支撑厚膜．

金刚石自支撑膜的高温红外透过性能

由于金刚石具有低吸收和优异的力学与导热性能使其成为长波(8~12μm)红外光学窗口材料的重要选择。对于许多极端条件的应用,化学气相沉积(CVD)金刚石自支撑膜的高温光学性质至关重要。应用直流电弧等离子喷射法制备光学级金刚石自支撑膜进行变化温度的红外光学透过性能研究,采用光学显微镜、X射线衍射、激光拉曼和傅里叶变换红外-拉曼光谱仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、结构特征和红外光学性能。结果表明:在27℃时金刚石膜长波红外8~12μm之间的平均透过率达到65.95%,在500℃时8~12μm处的平均透过率为52.5%。透过率下降可分为3个阶段。对应于透过率随温度的下降,金刚石膜的吸收系数随温度的升高而增加。金刚石自支撑膜表面状态的变化,对金刚石膜光学性能的影响显著大于内部结构的影响。

大面积高光学质量金刚石自支撑膜的制备

介绍了一种新型的磁控／流体动力学控制的大口径长通道直流电弧等离子体炬，并据此设计建 造了 １００千瓦级高功率 ＤＣ Ａｒｃ Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ ＣＶＤ金刚石膜沉积系统 讨论了该系统采用的半封闭式 气体循环系统的工作原理。

自支撑金刚石厚膜表面外延掺硼金刚石薄膜研究

采用微波等离子体化学气相沉积技术(MPCVD),在抛光厚度0.5 mm的高热导率自支撑金刚石厚膜表面沉积厚度10μm掺硼金刚石薄膜,通过热导率测试仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱、X射线光电子能谱以及四探针仪等测试手段对材料的热导率、形貌及微观质量、表面键合状态及导电性能等进行分析。结果表明,优化工艺后在自支撑金刚石厚膜表面外延形成了质量优异,结合力佳的掺硼金刚石薄膜,其电阻率最低为1.7×10^(-2)Ω·cm。同时,鉴于界面同质外延特性以及大尺寸晶粒特点,整体材料的热导率可高达1750 W/(m·K),显示这种层状复合材料良好的整体导热性能及表面导电性能。