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。

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。

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。

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。

大面积光学级金刚石自支撑膜研究进展

大面积光学级金刚石自支撑膜的制备和加工是近年来在CVD金刚石研究领域的最重要的技术进展之一。综述了北京科技大学近年来在CVD金刚石膜光学应用领域的研究进展。给出了采用高功率直流电弧等离子体喷射 (DCArcPlasmaJet)CVD工艺制备大面积光学级金刚石自支撑膜的研究结果 ,并报道了对所制备的光学级金刚石自支撑膜的光学、力学 (机械 )、热学和微波介电性能的最新研究结果。

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．

大面积金刚石自支撑膜机械抛光的优化工艺研究

研究了一种用于抛光等离子体溅射CVD法制备的金刚石自支撑膜的高效安全的抛光工艺。试验探索了转盘转速、金刚石粉颗粒尺寸、磨盘表面形状对金刚石自支撑膜磨抛速率的影响。研究表明:带槽盘对金刚石自支撑膜的粗研磨效果明显,速率较高,平面盘对提高金刚石自支撑膜的表面粗糙度有利;不同颗粒的金刚石粉对应着各自合适的能充分利用其磨削能力的转速,在这个转速下,金刚石自支撑膜的磨抛速率在12μm/h左右。本文通过对新的工艺参数的探索,为金刚石自支撑膜后续加工提供有力的技术支持。

无支撑、光学级MPCVD金刚石膜的研制

利用引进的6 kW微波等离子体化学气相沉积设备,进行了无支撑金刚石膜工艺的初步研究。在800~1050℃的基片温度范围内,金刚石膜都呈（111）择优取向;基片相对位置对沉积较大面积、光学级金刚石膜至关重要。制出0.25 mm厚Φ50 mm的无支撑金刚石膜。拉曼光谱和X射线衍射分析表明,合成的金刚石膜晶体结构完整,sp2含量极低;透过率测试结果说明了优良的光学性能：截止波长225 nm,光学透过率（λ≥2.5μm）≥70%。

光学级金刚石自支撑膜及其镀制Y_2O_3增透膜后的高温抗氧化性

为了提高金刚石膜的红外透过率和高温抗氧化性能,采用纯钇(Y)金属靶,使用直流反应磁控溅射法在光学级金刚石自支撑膜表面制备了Y2O3薄膜。对比研究了光学级金刚石自支撑膜和Y2O3/Diamond/Y2O3复合窗口的高温抗氧化性能,及氧化前后样品表面形貌和红外透过率的变化情况。热分析、扫描电子显微镜和傅立叶变换红外光谱仪的研究结果表明Y2O3薄膜对光学级金刚石膜有非常好的抗氧化防护性能,在高达950℃的温度暴露30s后对光学级金刚石膜表面没有造成明显损伤,且仍能保持良好的增透效果(透过率超过80%)。

高质量金刚石自支撑膜织构与断裂强度的关系研究

利用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积在Mo基体上制备了不同织构的金刚石厚膜。用扫描电境(SEM)观察金刚石膜的形貌,用XRD表征晶体取向,用极图和取向分布函数法计算金刚石膜的不同织构,利用三点弯曲法测量金刚石膜的断裂强度。结果表明,金刚石膜的断裂强度随着衍射峰强度比值I(111)/I(220)的增大而不断降低。{110}织构的金刚石膜具有最高的断裂强度。

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。

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。

DC Arc Plasma Jet CVD金刚石自支撑膜的质量对物理性能的影响

本研究对Raman谱进行高斯（Gauss）和洛仑兹（Lorenz）分峰拟合，将金刚石自支撑膜Raman谱分成纯金刚石峰和非金刚石峰，对比两种方法的精度，结果显示高斯拟合的精度高些。运用经验公式计算出金刚石自支撑膜的质量因子，发现质量因子主要受纯金刚石峰强度和无定型碳峰强度的影响，非金刚石峰强度与质量因子成反比，纯金刚石峰强与质量因子成正比，同时还受到内应力的影响。质量因子与热导率、断裂强度和红外透过率的关系表明，金刚石自支撑膜的以上物理性能与其质量成正比关系。

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。

大面积自支撑CVD金刚石厚膜的应力研究

在HFCVD系统中制备了直径为100mm的自支撑CVD金刚石厚膜,利用XRD研究了自支撑CVD金刚石厚膜的应力。结果显示制备的大面积自支撑CVD金刚石厚膜处于较低的应力水平,应力分布较均匀,生长面应力状态为压应力,成核面应力状态为张应力。

大面积高质量金刚石自支撑膜热导率的影响因素研究

通过Raman、XRD、SEM分析方法分别对大面积高质量金刚石自支撑膜的质量、晶体结构、晶粒尺寸进行研究,分析它们对金刚石自支撑膜热导率的影响。研究结果表明,金刚石自支撑膜的质量对热导率的影响较大,质量越好,热导率越接近于天然金刚石的热导率;并且金刚石自支撑膜中晶体[220]取向度越高,热导率越高。形核面晶粒尺寸越大,晶粒间的晶界就减少,有利于提高金刚石自支撑膜的热导率。

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。