新型纳米金刚石薄膜电极研究综述

文章基于纳米金刚石薄膜电极的电化学领域研究,综述了本课题组的相关工作。内容关注于纳米金刚石薄膜中导电晶粒和晶界对电化学贡献规律,新型纳米金刚石/石墨烯复合薄膜电极的电化学性能研究及在能源催化领域的应用研究等。

掺硼金刚石薄膜表面高分散镍纳米颗粒的制备

化学气相沉积制备掺硼金刚石薄膜因具有电化学势窗口宽、化学稳定性高和抗污能力强等特征,在电化学领域中有广阔的应用前景。用高分散金属纳米颗粒对掺硼金刚石(BDD)薄膜进行表面修饰,可显著提高其比表面积和活性位点,提升掺硼金刚石薄膜的电化学性能。采用混合酸对掺硼金刚石薄膜进行表面改性,获得亲水性表面,继而生长镍金属框架材料(Ni-MOFs),热处理后获得镍纳米颗粒。借助接触角测定仪对薄膜表面终端进行分析,并通过扫描电子显微镜对纳米镍颗粒修饰的BDD薄膜进行表征。结果表明:BDD表面从以氢端基为主的H-BDD转变为以氧基团为主的O-BDD表面,接触角由70°减小为33.7°;纳米镍颗粒分散均匀,粒径大小为5—12 nm,颗粒密度约为3.5×10^(6)cm^(−2)。

金刚石纳米锥坑阵列结构的制备

采用电感耦合反应离子刻蚀(ICP-RIE)技术刻蚀金刚石薄膜,通过调整刻蚀功率、角度及时间等工艺参数,低成本且高效率地实现了排列整齐的圆形纳米锥坑阵列的可控化制备。对纳米锥坑的制备过程进行深入研究,发现可通过调节刻蚀角度与偏压功率控制氧等离子对金刚石进行高度方向性的刻蚀。荧光检测结果表明,直径为80~120 nm、深度为90~130 nm的纳米锥坑阵列结构可使金刚石薄膜内NV0色心的荧光强度增加21%,SiV-色心的荧光强度增加49%。使用时域有限差分方法对增强原因进行探究,发现纳米锥坑对泵浦激发光有局限作用,并且可在纳米锥坑附近形成法布里-珀罗共振腔,使色心的自发辐射速率加快,进而增加其荧光强度。

340 GHz宽带金刚石输能窗的设计优化与试验研究

针对340 GHz行波管用金刚石输能窗的宽带传输要求,基于多晶金刚石膜和微米晶-超纳米晶金刚石复合膜,开展了金刚石输能窗的优化设计与试验验证研究。研究结果表明,多晶金刚石输能窗在320~363 GHz带宽内S_(11)<-15 dB,S_(21)>-3 dB;微米晶-超纳米晶复合金刚石输能窗在313~385 GHz带宽内S_(11)<-15 dB,S_(21)>-2.5 dB,同比工作带宽增加近2倍,有效拓展了金刚石输能窗的工作带宽。

纳米金刚石薄膜的制备与应用

采用偏压辅助增强热丝化学气相沉积法(Chemical vapor deposition,CVD),以WC-Co硬质合金为衬底,采用控制沉积参数和添加惰性气体Ar等CVD新工艺,制备性能优良的纳米金刚石薄膜。进一步采用扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)、原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)、拉曼光谱(Raman spectros- copy)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和高分辨率透射电镜(High-resolution transmission electron microscopy, HR-TEM)分析了薄膜的纳米效应。研究结果表明:纳米涂层仍然是以金刚石结构为主的多晶体,它晶体颗粒较小(20～80 nm),含有较多的晶界和sp^2结构,涂层表面粗糙度R_a≤50 nm,表面平整光滑,有利于研磨抛光。在此基础上,提出纳米金刚石复合涂层制备新技术,开发研制出各种涂层拉拔模具,在实际生产线上进行了应用,取得了显著的效果。

纳米金刚石薄膜的应用及其研究进展

以纳米金刚石薄膜的应用为主线,讨论了它在机械、光学、声学、电学等应用领域的优势,以实例分析、证明了其在各领域中所展现出的优异性能。综述了纳米金刚石薄膜在上述应用领域的研究进展,同时从不同方向阐释了其研究应用过程中所存在的不足,并对其今后的主要发展方向进行了展望。

类金刚石薄膜的表面纳米划擦性能评价

用射频等离子体增强化学气相沉积在钛合金表面制备了类金刚石薄膜，利用纳米压入仪及其附件研究了薄膜与纳米划擦有关的力学性能．结果表明：随薄膜厚度的增加，其硬度略有增加，但增幅较小，弹性模量没有明显的相应规律；薄膜在划擦过程中，随载荷增加，先后经历薄膜变形、薄膜与基体共同变形及薄膜剥离三个阶段；在薄膜变形阶段，划擦对薄膜的损害较小；当压头进入薄膜一定深度后，划擦后薄膜与基体的变形不同步，造成薄膜沿划痕向两边形成整齐排列的小裂纹，呈鱼骨状；达到临界载荷值时，薄膜在界面处发生脆性剥落；随膜厚增加，薄膜的临界载荷增大，因其残余应力的相应增大而发生大面积脆性剥落．

纳米金刚石薄膜的制备和应用

纳米金刚石薄膜的优异性能吸引了众多学者的关注,同时也成为CVD金刚石薄膜研究领域的新热点。文章对国内外的纳米金刚石膜制备的研究状况做了详细介绍,并对纳米金刚石薄膜的应用进行了讨论。

金刚石纳米颗粒对薄膜润滑性能的影响

采用相对光强原理对超细金刚石粉添加剂的纳米摩擦学性能进行了研究。试验结果表明 :在薄膜润滑区 ,球型纳米金刚石颗粒的增粘作用 ,使混合油油膜增厚 ;微滚动效应则导致摩擦力减小。其摩擦过程是金刚石颗粒不断分散和团聚的过程 。

贫氢富氩气氛下超纳米金刚石薄膜的生长(英文)

利用微波等离子气相沉积法在5%～20%的氢气浓度下,制备出了超纳米金刚石薄膜(UNCD)。利用扫描电子显微镜、XRD、表面轮廓仪及拉曼光谱研究了氢气浓度对超纳米金刚石薄膜的微结构、形貌、以及相组成的影响。结果表明,随着氢气浓度的增加,晶粒粒径及粗糙度都明显增加变大;在不大于10%的氢气浓度气氛下,可以发现晶粒粒径下降到6nm,甚至更低;即便氢气浓度达到20%,晶粒粒径仍然小于10 nm。讨论了在富氩气氛下沉积的UNCD的实验结果以及沉积机制。这种极其光滑的UNCD薄膜有望在医疗,声表面波器件以及微机电系统,尤其是在重载和恶劣环境下作为超级密封材料的应用。

纳米金刚石薄膜的制备特点及特性

纳米金刚石薄膜具有金刚石薄膜和纳米材料的双重优异特性,而在制备工艺上又与金刚石薄膜有所不同,通过与金刚石作比较,综述了纳米金刚石薄膜的制备特点,表征方法;并列举了其在场发射、耐磨减摩等领域的应用和其独特性能。

纳米金刚石薄膜研究进展

本文对纳米金刚石薄膜的研究现状和发展趋势进行了综合评述 ,从纳米金刚石薄膜的沉积原理和工艺以及纳米效应表征等方面分析了国内外最新研究成果 ,比较了常规和纳米金刚石薄膜不同沉积工艺和形核生长机理 ,对纳米金刚石薄膜的硬度、内应力、摩擦特性等机械性能也作了概述 ,在此基础上 ,提出在常规金刚石薄膜基础上沉积纳米金刚石薄膜组成复合涂层的新方法。

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.

纳米压痕法研究金刚石薄膜的力学性能

用热丝化学气相沉积法在硅基体上制备了大面积硼掺杂金刚石薄膜,硼的浓度大约为2×10^(20)/cm3。利用纳米压痕仪及其附件研究了薄膜和纳米划擦有关的力学性能。结果表明:薄膜具有较高的硬度,平均硬度约为30GPa,弹性模量约为419GPa;薄膜与基体的结合强度较高,薄膜发生剥落的第一次破坏力大约是4N。比较而言,薄膜中心区域的硬度高于边缘,结合强度则相反。

利用金刚石纳米粉引晶方法制备高硼掺杂金刚石薄膜

利用金刚石纳米粉引晶方法在SiO2衬底上合成了高硼掺杂金刚石薄膜,并利用范德堡法、扫描电镜、激光拉曼方法对不同掺杂量下生长的样品进行了表征。SEM和拉曼谱分析表明,少量掺杂时有利于提高金刚石薄膜的质量,但是随着掺杂量的增加,金刚石薄膜质量开始明显下降;并且拉曼谱峰在500cm-1和1200cm-1开始加强,呈现重掺杂金刚石薄膜的典型特征。其电导率随着温度升高而升高,表明导电性质为半导体导电。

硼源浓度对纳米金刚石薄膜掺硼的影响

目的研究纳米金刚石薄膜生长掺硼的内在机理,实现对该过程的精确控制。方法采用微波等离子体化学气相沉积法,以氢气稀释的乙硼烷为硼源,进行纳米金刚石薄膜的生长过程掺硼实验,研究硼源浓度对掺硼纳米金刚石薄膜晶粒尺寸、表面粗糙度、表面电阻和表面硼原子浓度的影响。结果随着硼源浓度的增加,纳米金刚石薄膜的表面粗糙度和晶粒尺寸增大,表面电阻则先下降,而后趋于平衡。结论纳米金刚石薄膜掺硼后,表面电导性能可获得改善,表面粗糙度和晶粒尺寸则会增大。在700℃条件下掺硼15 min,最佳的硼源浓度(以硼烷占总气体流量的百分比计)为0.02%。

热丝CVD金刚石薄膜制备及碳纳米管形核作用的研究

利用热丝化学气相沉积法 (HF CVD)进行了金刚石薄膜制备和碳纳米管形核作用的研究。获得了制备金刚石薄膜的优化工艺参数。利用碳纳米管作为形核前驱获得了高质量的金刚石薄膜 ,其沉积速率可达 2 5 μm/h ,晶粒生长完美 ,而且没有出现聚晶现象。研究了碳纳米管涂料质量对薄膜沉积特性的影响 。

原子氢在纳米金刚石薄膜生长中的作用

探索了原子氢在各类制备条件下对纳米金刚石薄膜生长所起的作用,指出贫氢环境并不是纳米金刚石薄膜制备的必备条件,原子氢与Ar在贫氢环境和富氢环境中的作用机理不尽相同.通过施加衬底偏压能促进氢离子的产生,氢离子刻蚀sp2碳的能力比刻蚀sp3碳能力强很多,同时能产生表面缺陷,因而富原子氢环境更有利于纳米金刚石薄膜成核与生长.

掺氮对纳米金刚石薄膜形貌及组成结构的影响

采用微波等离子体化学气相沉积技术,通过在甲烷和氢气的混合反应气源中通入不同浓度的氮气,合成了氮掺杂的纳米金刚石薄膜。表征结果表明随着氮气浓度的增加,所得到的金刚石薄膜的材料特征发生了明显的改变:膜层晶粒结构由从未见过的大尺寸片状向团簇状再向微颗粒状转变,并且薄膜的表面粗糙度相应变小;同时薄膜中非金刚石组份逐渐增多,膜材的物相纯度下降。氮气浓度除决定了纳米金刚石薄膜中N的掺杂度外,还会对膜材的物相组成、形貌及结构产生巨大的影响。

纳米金刚石薄膜制备技术的研究进展

介绍纳米金刚石薄膜的特性和应用,综合叙述以化学气相沉积技术为基础、拓展多种纳米金刚石薄膜制备技术的研究进展,分析纳米金刚石薄膜的特性机理,并展望今后的研究方向。