纳米金刚石薄膜的制备与应用综述

来源: 发布时间:2019-07-24 08:59:18

  【摘要】本文根据前人的研究,从制备方法,制备过程中的影响因素及应用等方面对纳米金刚石薄膜的相关特性做了总结。

  【关键字】纳米金刚石薄膜 制备 应用

  【正文】

  一、纳米金刚石薄膜(纳米金刚石)的制备

  1.主要制备方法

  1.1 HFCVD法

  热丝化学气相沉积(HFCVD)法沉积金刚石膜,主要是将含有碳源的反应气体通过热丝产生的大于2000℃的高温,热解为活性基团,通过活性基团的相互作用形成sp3键型的金刚石相,同时被离化的原子氢将对基片上sp2键型的石墨相进行刻蚀,在基片表面最终形成sp3键型的金刚石相[i],最后在在经过金刚石微粉研磨处理后的硅片上沉积出结构致密、质量良好的纳米金刚石薄膜。

  1.2 MPCVD法

  在微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法中,微波源产生的微波通过波导耦合并穿过绝缘窗口(通常为石英)进入反应腔体放电,同时将含有碳源的反应气体通入腔体,腔体中,气体分子的电子在吸收微波能量生成反应活性基团,通过活性基团的相互作用在等离子体球的基片表面沉积得到金刚石薄膜。[ii]

  1.3直流电弧等离子体CVD法

  在直流电弧等离子体CVD法利用直流放电产生等离子体,等离子体和含有碳源的反应气体作用,在衬底上沉积出金刚石薄膜。在该过程中,等离子体的自加热效应将衬底加热,并可以通过调节放电电流来调节衬底的温度。由于放电区域较大,该方法制备的纳米金刚石薄膜的均匀性非常好[iii]。

  2.制备过程中的影响因素

  2.1生长时间对纳米金刚石薄膜微结构的影响

  在其他条件相同的情况下,生长时间越长,纳米金刚石薄膜的厚度越大。厚度的增加会导致薄膜中纳米金刚石晶粒尺寸减小、非晶态石墨团簇尺寸增大、有序度提高。另外,薄膜后幅增加还会导致sp2碳团簇数量增多或尺寸变大,即薄膜表面颗粒大小和金刚石含量无较大变化,但金刚石晶粒大小会不断减小。因此,薄膜厚度增加会使晶界的导电网络密度变大,对其的导电性有明显影响。[iv]

  2.2掺氮对纳米金刚石的影响

  掺氮会显著改变金刚石薄膜物理特性,目前对于纳米金刚石薄膜掺氮的研究主要集中在对导电性的影响上。氮杂质使金刚石多晶膜界面的化学状态改变,从而导致薄膜的能带结构变化,导电性能提高,使金刚石薄膜导电和场发射性能更好。

  2.3 掺硼对纳米金刚石的影响

  随着硼原子浓度的提高 ,纳米金刚石薄膜的表面粗糙程度增加,晶粒尺寸增大。而随着硼源浓度的提高,纳米金刚石薄膜的表面电导性能呈现出先迅速提高、再逐渐趋于平衡的趋势。因此,要在保证纳米金刚石薄膜平整度变化不大的前提下提高其的导电性能,需选择合适的硼源浓度。[v]

  二、纳米金刚石薄膜的应用

  1.机械领域的应用

  由于主体部分是结合强度极高的金刚石晶粒,纳米金刚石薄膜具有很高的硬度和弹性模量。另外,其的优良物理特性还包括粘附性能较高、表面平滑度高和摩擦系数低等。因此,作传动机构的机械耐磨涂层是纳米金刚石薄膜的一个重要应用方向。

  此外,纳米金刚石薄膜的另一重要应用领域是微机电系统。微机电元件的主要材料硅的摩擦系数大,弹性模量和机械强度相对较低,因此元件的性能较低,使用寿命短,并且这个问题会随着元件尺寸的减小进一步突出。又因为微观、宏观摩擦力区别很大,所以,传统的润滑手段无法解决微机电系统中的摩擦问题。另外,微机电系统中马达的转速可达十万的数量级的水平,一般硅材料难以承受,因此,用纳米金刚石薄膜代替微机电系统中的硅将具有很好的应用前景。[vi]

  2.光学领域的应用

  由于纳米金刚石薄膜的晶粒细小,整体性较好,表面平整光滑,所以对光线的漫反射较弱,透过率较高。虽然纳米金刚石薄膜的光学性能并不是最优秀的,但力学性能也是选择光学薄膜的重要影响因素。因此,纳米金刚石薄膜在光学窗口应用领域中也是一种是十分理想的薄膜材料。[vii]

  3.声学领域的应用

  纳米金刚石薄膜声传播速度高、密度低、弹性模量高、热导率高、机械强度高,因此可以满足在表面声波器件工作频率的不断提高的情况下制造高频声学元件的需求。目前,由于纳米金刚石薄膜是纵声波传播速度最高的物质,且其的弹性模量很高,并具有导热性和耐热性,因此,是一种十分理想的传播高保真传输声学波的材料,可用于制造高频率范围内工作的声表面波滤波器件。

  4.电学领域的应用

  半导体领域内,由于纳米金刚石薄膜禁带宽度宽,热导率高,介质击穿场强,载流子迁移率也很高,因此有极大地应用前景。由于纳米金刚石薄膜的阈值电压较低,晶粒尺寸小,因此,作为一种场发射阴极材料时,很容易从薄膜内发出电子[viii]。研究表明,在冷阴极场发射性能上,纳米金刚石薄膜的表现远比微米金刚石薄膜优秀。因为其局哟偶优秀的的场发射性能,所以被视为最具潜力的下一代平面显示器制备材料。

  【参考文献】

  1. 施凌云.沉积工艺对纳米金刚石薄膜的影响研究[D].上海:上海大学,2007.

  2. 张衡.纳米金刚石薄膜和p型金刚石薄膜的制备和性能研究[D].杭州:浙江大学,2006..

  3.陈成克,胡晓君,生长时间对纳米金刚石薄膜微结构的影响,超硬材料工程,2014,6

  4. 熊礼威,崔晓慧,汪建华,龚国华,邹伟,硼源浓度对纳米金刚石薄膜掺硼的影响,表面技术,2014,6

  5.熊礼威,崔晓慧,汪建华,张莹,易成,吴超,张林,纳米金刚石薄膜的应用及其研究进展,表面技术,2013.05.006

  6.刘素田,唐伟忠,耿春雷,吕反修,纳米金刚石薄膜的制备和应用,金刚石与金刚石工具,2006.2

  7.何学好,马会中,王峰等.纳米金刚石薄膜的制备及场发射研究进展[J].光盘技术,2008(4):50—51.

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