超纳米金刚石薄膜的快速生长及结构分析

采用微波等离子体化学气相沉积(microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)技术,通过调节微波功率制备不同温度条件下的超纳米金刚石(ultrananocrystalline diamond,UNCD)薄膜。比较分析反应源激活功率及基体温度对UNCD膜生长和组成结构的影响,以期获得高质量UNCD膜材的快速生长工艺技术。采用SEM、XRD、Raman等方法分析表征UNCD薄膜的形貌结构、物相组成和生长速率,同时通过OES光谱监测UNCD薄膜沉积过程中的生长基团状态。结果表明:UNCD薄膜沉积的基体温度范围在450~650℃,且随着功率和基体温度增加,OES光谱中CN、C_(2)基团峰值强度增强,生长速率从0.82μm/h上升到6.62μm/h;膜材中晶粒尺寸稍有增加,但平均晶粒尺寸均小于10.00 nm,且表面更加平整光滑,形成更有利于力学性能的表面形貌。因此,采用二异丙胺液态小分子为反应源,同时施加更高的微波功率,在更高的基体温度下沉积是快速生长高质量UNCD膜的有效工艺途径。

超纳米金刚石薄膜及其在MEMS上的应用研究进展

硅基MEMS器件最主要的问题是硅具有低的机械和摩擦性能,限制了其在弯折和运动MEMS器件中的应用。超纳米金刚石薄膜优异的机械、化学惰性、热稳定性、摩擦磨损性能使其成为能长期可靠运行的理想MEMS元件材料。阐述了微波化学气相沉积和Ar、CH4为主的超纳米金刚石薄膜的制备及其机理,综述了超纳米金刚石薄膜与MEMS相关性能及在微摩擦磨损、残余应力方面的研究现状,介绍了超纳米金刚石薄膜覆形沉积、选择性生长和光刻图形化等微加工技术及其在MEMS上的应用研究进展。

金刚石电子材料生长的研究进展

简述了金刚石兼具物理的和化学的优良性质,尤其是金刚石的半导体电气性质,即宽带隙、高击穿电场、高载流子迁移率和高热导率,成为固态功率器件最有前途的半导体材料之一。介绍了金刚石基的电子器件及其材料生长的研究进展,分析了金刚石膜的导电机理以及材料生长的新技术。重点介绍了采用包括微波等离子体化学汽相淀积（MPCVD）等方法制备金刚石膜、本征单晶生长、硼掺杂等技术。目前在直径为100~200 mm的硅衬底上,可以淀积均匀的超纳米结晶金刚石（UNCD）膜。此外,对金刚石电子学和光电子学的未来进行了展望。

新型掺氮金刚石薄膜结构及CO_(2)电化学还原性能研究

掺氮金刚石薄膜不仅同已被广泛研究的掺硼金刚石(BDD)薄膜一样拥有优异的电化学性能,而且具有更加丰富的的结构和物相组成,是一种十分有潜力的CO_(2)电化学还原电极材料。本文采用微波等离子体化学沉积技术通过改变沉积温度(750和850℃)制备获得两种形态结构及组成特点显著不同的新型掺氮金刚石薄膜,SEM、XRD分析表明750℃下生长的薄膜仅含金刚石相且晶粒尺寸在30 nm以下,晶界占比极大,结合Raman光谱图中宽化的D峰和G峰,表明所得膜材为典型的掺氮超纳米金刚石膜(UNCD);而850℃制备的薄膜由金刚石和石墨相组成,极薄的石墨片垂直交叉排列呈“蜂窝”状,尺寸极小金刚石晶粒分布于蜂孔内,为典型的掺氮超纳米金刚石/多层石墨烯复合薄膜(UNCD/MLG)。电化学测试结果显示,两种新型掺氮金刚石薄膜均具有宽的电势窗(~3 V),可以有效地抑制CO_(2)还原的析氢竞争反应;同时两种电极都可以有效电催化还原CO_(2),生成甲酸和CO,甲酸和CO最大法拉第效率分别为38.37%和15.32%。其中850℃生长的UNCD/MLG薄膜具有更好的电化学活性,更高的CO法拉第效率并可产生多电子转移产物甲烷。这得益于其本身“蜂巢”状结构不仅使表面积极大地增加,同时适中的sp^(3)-C/sp^(2)-C比例可以有效结合CO_(2)还原的中间体,增加了产物的多样性。对于掺氮金刚石薄膜材料而言,这种由掺氮超纳米金刚石和多层石墨烯组成的具有丰富孔洞结构的复合膜是一种更有潜力的电催化CO_(2)还原电极材料。

石墨-金刚石复合阴极的强流脉冲性能

为满足高功率微波系统对电子束质量的要求,对相对论返波管现用石墨阴极通过涂覆掺氮超纳米金刚石(UNCD)薄膜进行改性处理,以提升石墨阴极的强流脉冲发射性能。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和Raman光谱仪及X射线光电子能谱仪(XPS)详细分析了掺氮UNCD薄膜的微观形貌和组成成分,在自制相对论返波管上完成强流脉冲性能测试。结果表明,与原始石墨阴极相比,石墨-金刚石复合阴极的电流发射密度提升25%,放气率最大可降低60%,说明用掺氮UNCD薄膜表面涂覆改性石墨阴极是一种提升阴极性能的有效途径。

电化学阳极氧化处理对超纳米金刚石/多层石墨烯复合薄膜电容性能的影响

为解决表面疏水导致的超纳米金刚石/多层石墨烯复合薄膜(UNCD/MLG)电容性能差的问题,通过电化学阳极氧化工艺对微波等离子化学气相沉积的UNCD/MLG薄膜进行表面处理以改善其相应性能。采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对处理前后薄膜的表面微观形貌进行对照分析,并用拉曼光谱(Raman)、光电子能谱(XPS)和静态接触角(Contact angle)表征其表面微观状态,用循环伏安法(CV)和恒流充放电法(GCD)比较分析处理前后薄膜的电容性能。结果表明,与原始薄膜相比,处理后的薄膜由超疏水性变为亲水性,且其电容值最大提高约115倍,表明电化学阳极氧化处理可以有效地对UNCD/MLG薄膜进行表面改性,大幅提升其电容性能。