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.     

CVD金刚石自支撑膜的研究进展

金刚石膜以其最高的硬度、热导率、热震性能以及极高的强度等优点得到了越来越多的关注。自20世纪低压化学气相沉积技术成功制备出金刚石以来,在世界范围内,金刚石的制备技术及应用研究得到了快速发展。分别对国内外自支撑金刚石膜材料的制备技术及相关应用进行简要介绍,并讨论近几年我国在高质量金刚石膜材料制备技术方面取得的进展。目前主要的制备技术有热丝、直流辅助等离子体、直流电弧等离子体喷射、微波等离子体化学气相沉积(CVD)等方法。在小尺寸、高质量金刚石膜的制备技术基础上,21世纪初,国外几大技术强国先后宣布实现了大面积、高质量CVD金刚石膜的制备,并将其用于诸如红外光学窗口等高技术领域。我国也在CVD金刚石膜研发方面不断进步,先后掌握了热丝、直流电弧等离子体喷射、直流辅助等离子体CVD等合成大面积金刚石自支撑膜技术,近几年也掌握了915 MHz微波等离子体CVD技术,这些成果也标志着我国在高质量金刚石膜制备技术领域跟上了世界先进水平。     

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石自支撑膜研究新进展

文章综述了以直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜的研究新进展,对电弧特性、金刚石晶体质量、力学性能、光学性能及热学性能进行了介绍。研究表明:不同电弧区域的金刚石膜结晶质量及应力状态有所差异,钛过渡层可以降低金刚石的残余应力;采用四点弯曲测得金刚石的断裂韧性为10.99 MPa·m1/2;一定温度范围内,金刚石吸收系数与温度的关系基本不受金刚石质量和厚度的影响;金刚石的光学性能越好,其热导率越高,且金刚石形核面热导率略高于生长面,500 K以上时多晶金刚石膜的热导率近似于单晶水平。      

自支撑Ti/Al纳米多层膜激光诱发自蔓延行为

通过磁控溅射法并借助有机高分子牺牲层,制备了具有不同调制结构的自支撑Ti/Al(调制比为1)纳米多层膜.采用脉冲激光诱发了纳米多层膜的自蔓延反应,确定了临界诱发能量密度.利用高速摄影法表征了自蔓延速度,采用SEM和TEM观察了纳米多层膜结构,利用差热分析仪和XRD分析了反应过程及产物.结果表明,纳米多层膜激光诱发临界能量密度(6~17 J/cm2)高于烧蚀临界能量密度.调制周期或周期数较小的纳米多层膜激光诱发所需的能量密度较小且自蔓延速度较高.但当调制周期接近或小于层间原子互溶区厚度时,临界能量密度和自蔓延速度的变化则有相反趋势.对于一定厚度的纳米多层膜,具有大调制周期和小周期数的调制结构对应的放热量大.随激光脉冲持续时间的延长,Ti/Al纳米多层膜的激光临界诱发能量密度呈现递减趋势,但最终趋于稳定.激光诱发Ti/Al纳米多层膜自蔓延反应生成单一的TiAl金属间化合物.     

直流电弧等离子体CVD金刚石膜工艺参数优化

为了研究工艺对CVD金刚石膜生长的影响,本文采用电镜、激光Raman谱分析等手段研究工艺参数对CVD金刚石膜生长速率和生长质量的影响.结果显示:金刚石薄膜的生长速率随甲烷浓度(3%～10%)、基片温度(800～1200℃)的增加而增加,随工作气压的升高先是增加,而后降低,峰值在15～20 kPa处.金刚石薄膜中非金刚石碳的相对含量先随基片温度的增加逐渐降低,在1080～1100 ℃达到最小值以后又开始急剧增加,膜的质量(结晶形态好和非金刚石碳的相对含量少)在1080～1100 ℃处达到最佳.     

直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法制备金刚石膜过程中冷阱的设计及作用

首先,介绍直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法的原理以及气体循环系统的设计和其优缺点;其次,详细介绍冷阱系统的设计及其工作原理;最后,使用拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱与光致发光光谱对比添加冷阱系统前后的金刚石薄膜的质量。结果表明：冷阱系统可以有效过滤循环气路中的热油气,避免杂质的掺入;在添加冷阱系统后,金刚石膜内掺入的杂质减少,金刚石拉曼峰半高宽降低到6.76 cm-1,接近于Ib型单晶金刚石的,且自支撑金刚石膜的晶体质量明显提高,光学透过率提升较大,在10.6μm波长处达到68.4%。     

直流电弧等离子体喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用

综述了北京科技大学在直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积系统研制和改进及大面积高质量(包括光学级)金刚石自支撑膜沉积的研究进展和产业化状况.用同样技术研发出了可用于复杂形状硬质合金工具金刚石膜涂层工具批量生产的强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石膜涂层系统,讨论了利用该设备研发金刚石膜涂层硬质合金工具及其现场切削试验的结果.     

铜基体预沉积铜-金刚石复合过渡层金刚石膜的制备与表征（英文）

在铜基体表面电沉积铜-金刚石复合过渡层,采用电镀铜加固突出基体表面的金刚石颗粒,最后利用热丝化学气相沉积(HFCVD)法在复合过渡层上沉积大面积的与基体结合牢固的连续金刚石膜。采用扫描电子显微镜、拉曼光谱和压痕试验对所沉积的金刚石膜的表面形貌、内应力及膜/基结合性能进行研究。结果表明:金刚石膜由粗大的立方八面体颗粒与细小的(111)显露面颗粒组成,细颗粒填充在粗颗粒之间,形成连续的金刚石膜。复合过渡层中的露头金刚石经CVD同质外延生长成粗金刚石颗粒,而铜表面与粗金刚石之间的二面角上的二次形核繁衍长大成细金刚石颗粒。金刚石膜/基结合力的增强主要来源于金刚石膜与基体之间形成镶嵌咬合和较低的膜内应力。     

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。     

半开放气体循环方式制备化学气相沉积金刚石膜

直流电弧等离子喷射化学气相沉积金刚石膜是一种先进的人工合成技术.其成膜面积大,均匀性好,质量高,沉积速率快,产业化前景非常广阔.但在其生产过程中,所需要的气体消耗量很大,生产成本较高,在相当程度上制约了生产规模的进一步扩大.经过分析和实验,发现沉积系统所使用的各类气体中,用量最大、价格最昂贵的氢气和氩气在整个沉积过程的前后并没有发生任何变化.如果措施得当,经回收利用后可以大幅降低生产成本.针对这个问题,我们设计了一种半开放式气体循环沉积系统并已经投入生产应用,与开放式沉积系统相比,其气体消耗量减少了80%,显著降低了金刚石膜的生产成本,所制备的高质量CVD金刚石膜,热导率可达20 W/(cm·K)以上,磨耗比可达40万以上,工业级别CVD金刚石膜,根据产品的不同要求,生产速率可达10～25μm·h-1,自支撑膜厚度为300～3000μm,大大促进了人造金刚石膜的大规模产业化发展.     

金刚石膜/硅复合基片的制备工艺研究

通过等离子体喷射法硅衬底制备金刚石的试验,研究了硅片规格、硅片前期预处理、金刚石膜沉积以及后期热处理等对制备复合基片性质和裂纹产生的影响,对各个工序进行优化和改进,确定了制备金刚石膜/硅复合基片最佳的工艺流程.实验结果表明:在硅基片制备的金刚石膜厚度大于20 μm,抛光后金刚石膜表面粗糙度Ra达到5.2 nm,剩余金刚...     

Effects of deposition parameters on microstructure and thermal conductivity of diamond films deposited by DC arc plasma jet chemical vapor deposition

The uniform diamond films with 60 mm in diameter were deposited by improved DC arc plasma jet chemical vapor deposition technique. The structure of the film was characterized by scanning electronic microcopy(SEM) and laser Raman spectrometry. The thermal conductivity was measured by a photo thermal deflection technique. The effects of main deposition parameters on microstructure and thermal conductivity of the films were investigated. The results show that high thermal conductivity, 10.0 W/(K-cm), can be obtained at a CH4 concentration of 1.5% (volume fraction) and the substrate temperatures of 880-920 ℃ due to the high density and high purity of the film. A low pressure difference between nozzle and vacuum chamber is also beneficial to the high thermal conductivity.     

电铸金刚石-镍复合膜微观应力分析

用电铸方法，采用低应力电镀液，研制出了金刚石-金属复合膜。该复合膜的厚度为20-45μm，可用于制作超薄切割刀具。介绍了用X射线衍射法（xRD）测量多晶体微观应力的基本原理和用X射线衍射法测量镍多晶体显微应变的程序。用单波法计算了电铸金刚石-镍复合膜的显微应变，并用扫描电镜（SEM）观察了该复合膜的表面形貌。结果发现：阴极电流密度严重影响复合膜的显微应变，在实验所用电流密度范围内（0．6-3．5A／dm^2），随着电流密度的增加，显微应变减小。     

光学级金刚石自支撑膜及其镀制Y2O3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%).     

加氮对直流电弧等离子体喷射金刚石膜显微组织和断裂强度的影响

利用DcArcP1asmaJetcVD法制备搀杂氮的金刚石厚膜。研究了在反应气体cH。／Ar／H：中加入N!对金刚石膜显微组织和力学性能的影响。在固定H2、Ar、CH4流量的情况下改变N2的流量，即反应气体中氮原子和碳原子的变化比例(N／C比，范围从0．06～0．68)，同时在固定的腔体压力(4kPa)和衬底温度(800℃)下进行金刚石膜生长。用扫描电镜(SEM)观察金刚石膜形貌、用X射线衍射表征晶体取向，用三点弯曲的方法来测量金刚石膜的断裂强度。结果表明，氮气在反应气体中的大量加入，对直流等离子体喷射制备金刚石膜的显微组织和力学性能有显著的影响。     

纳米金刚石薄膜的微结构和残余应力

采用双偏压热丝化学气相沉积法在不同栅极和衬底偏流下制备出纳米金刚石薄膜.采用Raman谱、SEM、AFM、纳米压痕法和XRD分析纳米金刚石膜的微结构、弹性模量和残余应力.分析结果表明,金刚石晶粒尺寸随着栅极和衬底偏流的增加而减小,而衬底偏流的加入会引起非金刚石成分的显著增加.金刚石晶界的畸变使得弹性模量随着栅极和衬底偏流的增加而减小,薄膜热应力也随之减小.晶界非金刚石成分引起金刚石本征应力呈压应力性质,晶界密度的增加使得本征应力随着栅极偏流的增加而增加,但衬底偏流引起薄膜抵抗变形能力剧烈下降,导致金刚石本征压应力的减小.     

自支撑CVD金刚石膜光学性能与热学性能相关性研究

目的通过等离子体喷射制备不同质量CVD金刚石膜并研究其光学及热学性能,试图建立起两种性能的相互关联性。方法采用光学显微镜、X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪和NETZSCH LFA467导热仪检测CVD金刚石膜的表面形貌、晶粒尺寸、结构特征和红外光学性能、热学性能。结果金刚石自支撑膜的光学性能及热学性能密切相关,本质上取决于氮和非金刚石相的含量。当金刚石膜内氮质量分数大于0.009%时,氮含量是决定光学性能及热学性能的关键因素,且两者随着氮含量的增加呈线性衰减趋势;当氮质量分数小于0.009%时,氮的影响相对较小,晶粒尺寸成为影响金刚石膜热导率的主要因素,此时晶粒尺寸对金刚石膜红外透过率影响较小。此外,金刚石中C—H吸收与非金刚石相含量正相关,其对金刚石光学及热学性能影响规律与N杂质基本一致。结论 CVD金刚石膜的热导率和红外透过率随着金刚石膜的氮杂质含量和C—H吸收系数的降低而逐渐提高,当达到一定程度,红外透过率相对热导率的增加表现出滞后性。     

Residual stress distribution in thin diamond films and its effects on preparation of thick freestanding diamond films using DC arc plasma jet operated at gas recycling mode

Diamond films produced by chemical vapor deposition show excellent properties. The residual stress distribution of diamond thin films deposited by DC arc plasma jet at recycling mode was analyzed by line shifts of micro Raman spectroscopy. The results show that the compressive residual stress concentrates at the film's edge. The experimental observations show that cracks initiate at the edge of the diamond thick wafer and then propagate towards the center. The residual stress of diamond films increases with the increase of methane concentration and deposition temperature. The difference of adhesion in close area causes more shear stress and brings about the two sides of crack being not at same level. To suppress crack probability, it is favourable for increasing the film thickness and selecting a substrate with lower coefficient of thermal expansion and lower adhesion. The effects of the residual stress distribution on thick diamond films detachment were discussed.