C-H-F氛围下金刚石薄膜的低温CVD生长过程分析

基于第一性原理的密度泛函理论对C-H-F氛围下低温CVD金刚石薄膜的生长过程进行仿真分析,计算H、F原子在氢终止金刚石表面发生萃取反应的吸附能、反应热与反应能垒,并分析CF_(3)、CF_(2)、CF 3种生长基团在带有活性位点基底上的吸附。结果表明:与H原子相比,F原子更容易在氢终止金刚石表面萃出H,并以HF形式脱附,且在C-H-F氛围下有利于在低温时产生更多的活性位点;CF_(3)、CF_(2)、CF基团在吸附后的结构和吸附能绝对值都更有利于金刚石相的生成,适当提高CF_(3)、CF_(2)、CF基团的浓度有助于实现金刚石相的更高速率生长。

退火处理对CVD生长石墨烯薄膜功函数的影响

通过退火处理去除了石墨烯薄膜上的吸附气体和杂质,改变了石墨烯表面吸附情况.利用原子力显微镜和开尔文扫描探针显微镜,对退火处理前后的石墨烯薄膜表面进行了原位扫描,分别得到其退火前、后的表面形貌和表面接触电势差图.根据表面接触电势差测量结果进一步计算其功函数,并对退火处理导致的功函数变化机理进行分析.结果表明:退火处理使得石墨烯薄膜与SiO_(2)衬底间的水分子层逸出,从而导致石墨烯薄膜与SiO_(2)衬底间距减小,降低了石墨烯薄膜的P型掺杂水平,使得费米能级上升、石墨烯薄膜功函数减小.

一步TCVD法制备大面积碳纳米管冷阴极及其场致发射性能研究

本文提出一步热化学气相沉积法(TCVD)热解二茂铁,并直接在硅衬底上制备大面积(1 cm^(2))、高质量碳纳米管(CNTs)场致发射冷阴极阵列的制备工艺.通过调控二茂铁的热解温度(650~1000℃),获得了最佳的二茂铁的碳转化效率以及高结晶度的碳纳米管阵列.研究了不同热解温度下制备的碳纳米管微观形貌及其对场致发射性能的影响机制.场致发射实验测试表明在热解温度850℃条件下制备的碳纳米管冷阴极其开启电场(10μA/cm^(2))和阈值电场(1 mA/cm^(2))分别为1.32 V/μm和2.64 V/μm,最大电流密度为14.51 mA/cm^(2),对应的场增强因子为13267,表现出良好的场发射性能.本文提出的一步制备碳纳米管冷阴极阵列的制备方法无需任何蚀刻气体或光刻图案工艺,该方法安全、经济、可重复性好,在碳纳米管场发射冷阴极领域具有广阔的应用前景.

Mist CVD生长的雾滴迁移与早期沉积研究

第三代半导体材料α-Ga_(2)O_(3)因其超宽带隙(5.3 eV)和超高巴利加优值(6726)在制造高功率器件等电子器件方面更具优势。在α-Ga_(2)O_(3)的诸多生长方法中,Mist CVD简化了前体输运,是亚稳相薄膜较有前景的生长技术。针对早期雾滴分布会制约薄膜质量的问题,使用计算流体力学(CFD)对α-Ga_(2)O_(3)的水平热壁Mist CVD系统进行了多相流反应的瞬态数值仿真研究。基于雾滴迁移与气化模型,研究影响雾滴蒸发时间的因素,解释了雾滴迁移长度对初始外延质量和平均生长速率的作用。在影响α-Ga_(2)O_(3)薄膜生长分布的诸多变量中,对衬底温度、衬底位置及衬底角度等关键参数进行了优化。结果表明,26.5°的衬底角度、距离出口78 cm的衬底位置和550℃的衬底温度具有较好的雾滴迁移分布,是有利于薄膜成核生长的优化条件,为实际生长与制备提供生长参数。

氮化硼包覆碳化硅纤维表面CVD法生长碳纳米管研究

目的通过调节化学气相沉积(CVD)的工艺参数,实现碳纳米管(CNTs)在氮化硼(BN)包覆的碳化硅纤维(SiCf)表面的可控生长。方法通过控制单一变量,采用扫描电子显微镜、热重分析、X射线光电子能谱等表征手段,系统地研究了CVD工艺参数和BN表面改性对CNTs形貌、长度、含量的影响。结果通过改变CVD工艺参数,实现了对CNTs形貌、长度、含量的调节与控制,获得了CNTs和BN协同改性的SiC纤维(SiC@BN-CNTs)。其中,SiC@BN-OH在反应温度为700℃、反应时间为20 min等参数下具有最大的CNTs产率(质量分数为10.6%),且形貌良好、含量较高。结论浸渍催化剂和缩短碳源与载体的距离对生长CNTs有积极影响,增加了CNTs的长度和生长密度;通过调节反应温度和时间能够实现对CNTs长度、含量的精确控制,从而获得高质量、高结晶度的CNTs;在反应器中,气体和催化剂的含量相互影响,在制备过程中需要考虑气体和催化剂的比例,按比例同时增加气体和催化剂的流入速率能够获得更好的结果。BN表面羟基化改性处理增强了BN对催化剂的吸附,促进了催化剂颗粒的分散,提高了CNTs的产率。

新型CVD金刚石涂层刀具铣削高性能各向同性石墨研究

利用自主研发的新型CVD金刚石复合涂层刀具对自行研制的高密高强各向同性石墨材料进行了铣削加工试验,对比测试了新型CVD金刚石复合涂层刀具与PCD刀具的切削性能。试验结果表明,PCD刀具铣削加工25min其后刀面磨损已超过磨钝标准0.3 mm,新型CVD金刚石复合涂层刀具加工到45 min时,其后刀面磨损量仅为0.25 mm,这说明新型CVD金刚石复合涂层刀具高速铣削石墨时表现出良好的耐磨性和使用寿命,可以适应高性能各向同性石墨的加工需求。铣削加工试验还发现新型CVD金刚石复合涂层刀具加工的石墨表面质量在初期不如PCD刀具,但在更长时间加工情况下,其加工表面质量优于PCD刀具。

CVD参数对镀镍碳纤维原位生长CNFs形貌的影响及生长机理分析

碳纤维具有低密度、高模量及高力学强度等优势,是常见的复合材料增强体。通过表面改性的方式,实现碳纤维表面纳米碳材料的有效复合,可获得更优的材料性能。而目前常见的制备方法,可能存在催化剂引入过程损伤纤维、反应时间长等缺点。因此,探索工业化大规模负载纳米尺度碳材料的制备工艺十分必要。采用商用镀镍碳纤维为原料,通过调节化学气相沉积法(CVD)参数,实现不同形貌碳纳米纤维(CNFs)在镀镍碳纤维表面的有效负载,通过SEM、EDS和TEM等表征方式,结合扩散理论和V-S-L模型,分析催化剂厚度对催化剂形态的影响及CVD参数对各形貌产物的影响机理。结果表明,当催化剂层较厚时,催化剂以连续的片状形态存在,主要控制因素为热失配而非表面张力。H_(2)比例较高时,反应以扩散为主导,形貌趋向于催化剂位于中间的粗大CNFs阵列;H2比例较低时,反应以催化为主导,形貌趋向于具有夹层的CNFs团簇。

CVD关键工艺参数对(Ni,Pt)Al涂层高温防护性能影响

采用化学气相沉积(CVD)工艺,在不同沉积温度和沉积真空度下分别在镍基单晶合金上制备了三种(Ni,Pt)Al涂层,研究了CVD关键工艺参数对(Ni,Pt)Al涂层高温防护性能的影响。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)等表征方法系统分析了三种(Ni,Pt)Al涂层的相结构、显微组织和化学成分。结果表明:在同一沉积真空度下随着沉积温度升高,涂层衍射峰向大角度方向偏移;在同一沉积温度下随着沉积压力变大,涂层衍射峰向小角度方向偏移;随着沉积温度和沉积压力的同时提升,涂层表面的晶粒尺度呈现增大趋势,涂层厚度也随之增加;经1100℃/250 h静态氧化和900℃/100 h燃气热腐蚀性能评价后,沉积温度为1080℃且沉积真空度为300 mbar的涂层样品,其氧化动力学增重值均小于其他两种涂层样品,该工艺制备的涂层高温防护性能最佳。控制涂层表面局部位置氧化膜内显微裂纹的过早萌生与滋长行为,以及降低燃气热腐蚀诱发的非稳态氧化膜脱落残留的凹坑数量是改善(Ni,Pt)Al涂层高温抗氧化腐蚀性能的CVD工艺优化方向。

WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具研究现状

化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)金刚石涂层刀具具有高硬度、优异的耐磨性、良好的冲击韧性和化学稳定性,能满足高效率、高精度的加工要求,逐渐成为切削铝和高硅铝合金、碳纤维增强复合材料及石墨等轻质量高强度难加工材料的主流涂层刀具。基于WC-Co硬质合金为基体的CVD金刚石涂层刀具在切削加工过程中容易发生CVD金刚石涂层的剥落,自主研发结合性能优良、长时间加工稳定的WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具仍是该领域国内外发展的必然趋势。目前,研究者为了提高WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的结合性能,采用化学刻蚀法和机械处理法相结合去除WC-Co硬质合金基体表层中的Co粘结相,发现其能增强涂层与基体的结合强度,但基体表层Co粘结相含量的减少容易导致基体中形成脆化层,降低基体的强度和韧性。为了减少基体的强度和韧性损失,研究者在WC-Co硬质合金基体和金刚石涂层之间制备稳定的含Co中间化合物或沉积中间层,成功阻挡Co粘结相的热扩散。除了上述方法外,研究者还通过调控金刚石涂层工艺参数和结构,将微米晶与纳米晶金刚石层叠相结合,来提高金刚石涂层刀具的摩擦学性能和涂层与基体间结合强度。本文综述了WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的应用进展,明确了WC-Co硬质合金与CVD金刚石涂层间附着失效是刀具切削加工中最主要的失效形式,详细分析了影响附着失效的主要原因。在此基础上,着重介绍了各种优化工艺对增强涂层刀具性能影响的最新研究进展;指出了WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的性能受化学刻蚀、机械刻蚀、形成含钴化合物层、沉积中间层等基体前处理以及金刚石涂层工艺参数和结构的影响较大,对于不同牌号或不同厂家生产的同种牌号的WC-Co硬质合金基材,需要进行不同的表面前处理,而针对不同的切削加工材料,需要采用合适的金刚石涂层沉积工艺和结构以提高涂层与基材之间的结合强度,进而提高刀具的性能;最后提出了研制一种普适性强的基体前处理、涂层工艺和结构创新策略,以实现不同应用场景下WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的高效长寿命切削,可能是未来的研究方向。

CVD金刚石涂层前预处理对硬质合金基体强度的影响

CVD金刚石涂层硬质合金刀具是有色金属及合金、石墨、陶瓷和碳纤维增强塑料(CFRP)等复合材料机械加工的理想刀具。但金刚石涂层前对WC-Co硬质合金基体的预处理过程在消除表面Co改善涂层附着力的同时也降低了基体强度。通过正交试验并采用SEM和EDS分析试样表面形貌和Co含量,采用XRD分析试样表层的相组成,研究了预处理对两种WC晶粒度的WC-6Co硬质合金基体强度的影响机制。结果表明:酸、碱预处理均显著降低基体强度,热处理则可消除酸碱处理对强度的不利影响。预处理对不同WC晶粒度的硬质合金基体强度的影响明显不同。粗晶硬质合金预处理后抗弯强度降低幅度更大,其抗弯强度的Weibull模数减小也更显著。相对而言,粗晶硬质合金的抗弯强度对酸腐蚀时间tC更敏感,而细晶硬质合金则受碱腐蚀时间tM的影响更大。因此,金刚石涂层前,应根据不同硬质合金基体的成分和微观结构匹配合适的预处理制度。

基于48对棒CVD还原炉出口的CFD模拟

现役大型多晶硅还原炉由于内部流场和温度场不均匀,存在产品性能差的问题,因此提出在原料出口增设内接管来改善炉内流场和温度场的均匀性问题。利用SolidWorks建模软件建立48对棒多晶硅CVD还原炉模型,对其进行数值模拟得到不同硅棒生长阶段下的尾气温度的模拟结果,拟合实际温度验证模型的准确性,进一步对模型网格进行网格无关性验证,验证模拟的准确性。通过对其流场和温度场的截面分析得出:在出口处设置高度为500 mm的上端封闭式内接管,有利于增加还原炉内部物料在炉内的停留时间和多晶硅的均匀沉积。因此在还原炉出口处安装内接管,有利于改善炉内物料停留时间以及流场和温度场的均匀分布,提高多晶硅沉积致密性和均匀性。

枝晶WS_(2)/单层WS_(2)薄膜的CVD可控制备与表征

二硫化钨(WS_(2))由于具有可调的带隙、强的光-物质相互作用、较高的载流子迁移率等性质,在光电子器件领域具有较为广泛的应用。本文通过常压化学气相沉积(CVD)法,以硫粉和过渡金属氧化物为前驱体,在SiO2/Si上生长了枝晶WS_(2)/单层WS_(2)同质结。在衬底上将样品的形貌演化分为了4个区域:叠加生长区(Ⅳ)、树枝状WS_(2)生长区(Ⅲ)、六角状WS_(2)生长区(Ⅱ)和无明显形貌区(Ⅰ)。采用光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱、光致发光光谱、透射电子显微镜、扫描电子显微镜等测试手段系统比较了所制备枝晶WS_(2)/单层WS_(2)在衬底上数量、形貌、结构和性质的不同。研究发现枝晶WS_(2)形貌的不同影响了实际缺陷浓度,从而影响了拉曼特征峰位置。利用原子吸附模型和S、W蒸气比的变化解释了形貌演化的生长机理。此外,基于枝晶WS_(2)/单层WS_(2)制备的背栅式场效应晶体管(FET)光响应率为46.6 mA/W,响应时间和恢复时间达到了微秒级别,性能优于大多数CVD法制备的单层WS_(2)背栅式场效应晶体管(WS_(2)-FET)。这一工作有助于进一步加强对二维薄膜材料可控生长的理解,对制备大面积、高质量的枝晶型结构具有一定参考价值。

CVD法制备铝化物涂层组织结构的温度依赖效应

铝化物涂层制备技术由于非视线性沉积优势广泛应用于燃气轮机关键热端部件上,可在部件外表面以及内腔表面制备抗氧化耐腐蚀铝化物涂层。涂层的组织结构是影响其服役性能的关键,然而如何调控铝化物涂层的组织结构从而获得理想性能的涂层是目前研究的难点问题。针对这一问题,研究了关键制备参数温度对铝化物涂层组织结构的影响作用。首先,采用化学气相沉积方法(CVD)在Mar-M247镍基高温合金表面制备了不同沉积温度下的铝化物涂层。然后,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及能谱分析仪(EDS)分析了铝化物涂层的显微组织结构、物相组成以及合金元素在涂层中的分布情况。结果表明,不同沉积温度下所得到的铝化物涂层均为双层结构,外层是富含Al元素的β-NiAl层,内层为富含拓扑密排相(TCP)的互扩散层;随着沉积温度的升高,β-NiAl层与互扩散层的厚度逐渐增加,两者与温度之间具有正相关关系。本研究揭示的温度参数对铝化物涂层组织结构的作用规律可为高性能CVD法铝化物涂层的制备提供参考。

基于第一性原理的CVD金刚石涂层表面氧原子作用分析

采用第一性原理方法研究了氧原子在CVD金刚石涂层表面吸附形成的两种氧掺杂结构的差异及脱附CO的难易程度.仿真计算结果表明:氧原子在金刚石表面顶位和桥位吸附形成C=O羰结构和C-O-C醚结构,改变与其直接成键的局部金刚石结构;C-O-C结构吸附能比C=O结构大,其结构更加稳定;C=O结构断键脱附形成CO的能垒比C-O-C结构更低,CVD金刚石涂层表面脱附CO主要是以C=O断键形成;氢终止表面能够增强碳原子之间成键,提高C=O脱附的能垒,而氧终止表面作用相反,降低脱附能垒.

CVD碳包覆SiO_(x)负极材料制备及其电化学性能研究

针对传统硅基负极锂离子电池负极材料存在充放电循环稳定性和倍率性能较差的问题,提出一种新型CVD碳包覆SiO_(x)负极材料的制备,并对其电化学性能进行研究。实验结果表明,氧化时间为1min制备的Si/SiO_(x)/G复合材料在电流密度为0.4A·g^(-1)的条件下,首次充放电比容量分别为2903mAh·g^(-1)和3709mAh·g^(-1),经过200次循环后,比容量维持在1357mAh·g^(-1)左右。在1A·g^(-1)的电流密度条件下,首次充放电比容量分别为2940mAh·g^(-1)和3669mAh·g^(-1),首次库伦效率为72%,经过300次循环后,比容量维持在1355mAh·g^(-1)左右,在高电流密度循环25次后,将电流密度减小至0.4A·g^(-1),材料比容量恢复至2034mAh·g^(-1),表现出良好的电化学性能和稳定性。与Si/rGO材料和Si/SiO_(x)/SiC/C复合材料进行对比,Si/SiO_(x)/G复合材料的电化学性能明显高于这两种材料,可以作为硅基负极锂离子电池负极备选材料使用。

含硅和GR1缺陷的蓝色CVD合成钻石的检测及颜色成因分析

硅相关缺陷和辐照产生的空穴缺陷均可使CVD实验室生长钻石呈蓝色。近日,对一颗蓝色方形钻石样品进行显微放大观察、发光图像观察以及光谱学测试等,发现该样品为化学气相沉积法(CVD)合成钻石,红外光谱显示,该蓝色CVD合成钻石为Ⅱa型,未检测到与氢缺陷相关的吸收;紫外-可见-近红外吸收光谱显示,除了在737 nm[SiV]^(-)和741 nm(GR1)处有非常强的吸收外,在830、856 nm和946 nm[SiV]^(0)处观察到弱吸收,GR1产生的一系列吸收使该样品在蓝区透过,最终呈蓝色;激光拉曼光致发光光谱显示存在明显辐照特征,强的503.5 nm(3H)、强的741 nm(GR1)以及515.8、533.6 nm和580 nm等发光缺陷;H3(503.2 nm)和H2(986 nm)等缺陷的存在以及596/597 nm双峰的缺失,表明样品在辐照处理前经历过高温处理。

CVD法制备铝化物涂层组织结构的温度依赖效应

铝化物涂层制备技术由于非视线性沉积优势广泛应用于燃气轮机关键热端部件上,可在部件外表面以及内腔表面制备抗氧化耐腐蚀铝化物涂层。涂层的组织结构是影响其服役性能的关键,然而如何调控铝化物涂层的组织结构从而获得理想性能的涂层是目前研究的难点问题。针对这一问题,研究了关键制备参数温度对铝化物涂层组织结构的影响作用。首先,采用化学气相沉积方法(CVD)在Mar-M247镍基高温合金表面制备了不同沉积温度下的铝化物涂层。然后,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及能谱分析仪(EDS)分析了铝化物涂层的显微组织结构、物相组成以及合金元素在涂层中的分布情况。结果表明,不同沉积温度下所得到的铝化物涂层均为双层结构,外层是富含Al元素的β-NiAl层,内层为富含拓扑密排相(TCP)的互扩散层;随着沉积温度的升高,β-NiAl层与互扩散层的厚度逐渐增加,两者与温度之间具有正相关关系。本研究揭示的温度参数对铝化物涂层组织结构的作用规律可为高性能CVD法铝化物涂层的制备提供参考。

高速旋转垂直热壁CVD外延生长n型4H-SiC膜的研究

采用高速旋转垂直热壁化学气相沉积(CVD)设备在偏向〈1010〉晶向4°的n型4H-SiC衬底上进行了同质外延生长,在设定的工艺条件下,外延膜生长速率达到40.44μm/h,厚度不均匀性和掺杂浓度不均匀性分别达到1.37%和2.79%。AFM表征结果显示表面均方根粗糙度为0.11 nm;Leica显微镜观察显示外延膜表面光滑,生长缺陷密度很低,没有宏观台阶结构;Raman谱线清晰锐利,表现出典型的4H-SiC特征。综合分析表明,本实验使用国产的高速旋转垂直热壁CVD设备,在较高的外延生长速率下,获得了具有高厚度均匀性和高掺杂浓度均匀性的高质量4H-SiC外延膜,对目前碳化硅外延产业的发展和半导体设备的国产替代具有良好的指导作用。

飞秒激光加工CVD单晶金刚石的烧蚀特征和机理研究

为探究飞秒激光烧蚀金刚石的烧蚀特征及机理,进行了飞秒激光加工CVD单晶金刚石实验及温度场仿真模拟研究。研究了飞秒激光能量密度、扫描速度、扫描次数对金刚石烧蚀区内纳米结构的影响。研究表明,金刚石被加工区域出现了沿着<110>晶向的微裂纹,在微槽边缘区域形成了周期为100~230 nm的纳米条纹,微槽中心区域形成了周期为460~640 nm的纳米条纹,且纳米条纹的形貌与激光加工参数密切相关。通过实验获得了金刚石的烧蚀阈值为3.20 J/cm^(2),且当激光能量密度为24.34 J/cm^(2)时,金刚石的烧蚀速率为44.8 nm/pulse,材料去除率为4.34×10^(−10)g/pulse。拉曼检测发现,微槽底部的金刚石发生了石墨化,理论计算的石墨层厚度为11.1 nm。根据不同激光能量密度下拉曼峰的频移计算飞秒激光辐照后金刚石微槽内的残余应力,当激光能量密度增加至24.34 J/cm^(2)时,残余拉应力增大至1389 MPa。温度场仿真结果表明,飞秒激光加工金刚石的材料去除主要是以金刚石升华为主,且飞秒激光辐照能量大多集中在金刚石的表层,几乎不会通过热传导扩散到金刚石内部。

雾化辅助CVD腔体的优化设计与实现

为了实现雾化辅助CVD(chemical vapor deposition,化学气相沉积)腔体的可定制性、可复用性及经济性,并满足高质量单晶氧化镓(Ga_(2)O_(3))薄膜制备的实际需求,设计开发了一种新型雾化辅助CVD腔体。该腔体主要由反应腔室模块、冷却模块和缓冲腔室模块组成。采用新型腔体和常规腔体进行了单晶Ga_(2)O_(3)薄膜制备实验,对Ga_(2)O_(3)薄膜进行了X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)图谱分析,并采用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)观察其表面形貌。实验结果表明:采用新型腔体可制备出性能更优的α-Ga_(2)O_(3)、β-Ga_(2)O_(3)薄膜;采用新型腔体和常规腔体制备的α-Ga_(2)O_(3)薄膜的(006)晶面的半峰宽分别为0.172°、0.272°,表面粗糙度分别为25.6 nm和26.8 nm,可见采用新型腔体制备的α-Ga_(2)O_(3)具有更优的结晶度、表面平整性和致密度。通过新型腔体的设计,构建了更有利于单晶Ga_(2)O_(3)薄膜生长的稳定环境,为Ga_(2)O_(3)薄膜制备工艺的优化提供了可靠路径。研究结果为制备高品质金属氧化物半导体薄膜提供了参考。