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影响人造钻石(CVD金刚石)合成的主要因素

admin 人造钻石 2020年08月09日

  影响人造钻石(CVD金刚石)合成的主要因素_化学_自然科学_专业资料。有关人工金刚石的合成工艺

  这里所讲的制备方法是 CVD 法,也就是化学气相沉积法,是利用含碳气 源(一般为甲烷+氢气)作为原料,通过一定的能量输入(微波、热丝、直流等) , 在一定的压强下产生出等离子体,在这个等离子体中使含碳气体分解,使碳氢键 断裂形成金刚石结构中的碳碳键,并不断的结合,使其“长大”,这一合成金刚石 的方法合成速率快(较高温高压法) ,质量高(杂质可以避免) ,容易控制(通过 对工艺参数的调控可以做不同晶面、不同种类的金刚石) 。 CVD 的方法也根据提供能量的方式不同也进行了划分,通过微波形式的 输入能量称为“微波等离子体化学气相沉积”其英文缩写为 MPCVD;而通过对热 丝(通常为 Ta 丝)两边进行加高压,通过加热热丝提供能量的方式称为“热丝化 学气相沉积”简称 HFCVD; 还有一种是通过对阴极和阳极施加直流电压, 气体受 热后有阳极嘴高速喷射出来形成等离子射流,此以射流的形式加热方式为 “直流 电弧等离子体喷射化学气相沉积法”简称为 DC-CVD。三者之间最有前景的是微 波 CVD 法,其制备的金刚石纯度高,质量好,国外的 APOLLO 公司已经利用其 制备人造钻石,性能与天然金刚石媲美,甚至优于天然金刚石。 而 CVD 法制备的过程中有几个关键的参数影响着制备的金刚石的质量,以下一 一分析: 1. 衬底材料(或基底材料) :金刚石薄膜的制备过程中通常需要在其他材料上进 行沉积,最普遍的应用就是涂层刀具。基底材料的选择会影响金刚石的附着力、 密度以及沉积质量。通常选择时需要考虑其基底元素能否与碳结合形成碳化物 (比如 TiC、ZrC、MoC、WC、SiC 等)这些物质能够与碳首先很好的结合,这 也为金刚石的沉积过程提供了更多的结合点,从而更容易形成金刚石。其次就是 要考虑基底材料的热膨胀系数,即受热膨胀率, CVD 制备金刚石通常要在 750-900 摄氏度,而在如此高的温度下金刚石能够与基底之间有很好的结合,但 是实验结束后降至室温时,由于材料“热胀冷缩”的性质,薄膜与基底材料之间的 热膨胀性有所差异,将会导致龟裂,因此,必须保证基底材料与金刚石的热膨胀 系数相同或接近,这样冷切的过程中不至于差异太大而使薄膜裂开或脱落。 2.基片的预处理: 这是制备金刚石之前必须经历的过程, 基底材料上通常有油脂、 铁锈或者其他杂质元素, 阻碍了金刚石与基底之间的直接接触,直接影响到金刚 石的质量和与基底之间的结合力。 3.温度:这是该工艺的一个重要参数,因为沉积温度直接影响了金刚石的生长速 率,在一定的温度范围内,温度的与生长速率是成正比的,但是高过或低于这个 温度范围时,就会形成碳的同素异形体如石墨、无定形碳,通常最为常用的温度 范围在 750-900 摄氏度. 4.碳源和氢气:这是制备金刚石的原材料,在制备过程中对两者流量的控制也是 非常重要的, 碳源供给量的多少直接影响着金刚石的生长状况,也决定着金刚石 各个晶面的生长情况(111 晶面 100 晶面在相同的碳浓度下生长速率是不一样 的) 。而氢气则具有更为重要的作用,氢气的存在能够对生长过程中形成的石墨 和非金刚石相进行刻蚀, 保证着金刚石的纯度,而氢气的流量也是需要一个适宜 的范围,过少的氢气会造成刻蚀不完全,而过多的氢气会将刻蚀金刚石(氢气对 金刚石也有刻蚀作用,只是没有那么明显) ,因此,各种因素的产生时刻影响着 金刚石生长的过程。 5. 工作压强:实验需要在真空环境下生长的,所涉及到的化学反应都是字啊分 子和原子之间进行的, 因此压强的大小直接决定了分子的自由程,这对所发生的 化学反应的快慢有着很大的影响,涉及到不断电离和不断结合的过程,适宜的工 作压强是稳定高速生长的保证。 这些参数并不是独立的进行改变的,它们相互关联,共同影响着金刚石 的生长过程。这些都是看书过程中积累的读书笔记,后面多做补充!


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