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1化学气相沉积(CVD ) 金刚石薄膜

admin 人造钻石 2021年04月26日

  化学气相沉积(CVD ) 金刚石薄 膜的 主要制备方法及应用 引言 ? 金刚石又名钻石, 是碳的同素异构体, 属于立方 晶系, 具有面心立方结构, 典型的原子晶体。金 刚石具有很多无与伦比的优异性能, 机械特性、 热学特性、透光性、纵波声速、半导体特性及化 学惰性等, 在自然界所有的材料中均是首

  化学气相沉积(CVD ) 金刚石薄 膜的 主要制备方法及应用 引言 ? 金刚石又名钻石, 是碳的同素异构体, 属于立方 晶系, 具有面心立方结构, 典型的原子晶体。金 刚石具有很多无与伦比的优异性能, 机械特性、 热学特性、透光性、纵波声速、半导体特性及化 学惰性等, 在自然界所有的材料中均是首屈一指 的。例如: 金刚石硬度是自然界中硬度最高的, 热导率是已知材料中最高的(是铜的热导率5 倍) , 高绝缘性和从红外到紫外极宽的透光性??。由于 自然界中金刚石储量极少, 并且开采也非常困难, 因此价格昂贵, 而且无论 天然金刚石还是高温高压下合成的人造金刚石都 是离散的颗粒状, 应用范围受到了很大限制。近 几年, 发达国家对化学气相沉积(简称CVD) 金刚 石膜制备及应用开发研究进行了大量投资。由于 CVD 金刚石制造成本低, 可以大面积化、曲面化, 而且其厚度可按需要从不足1Lm 直至数毫米, 而 且制备出的CVD 金刚石薄膜物理性和天然金刚石 基本相同或接近, 化学性质完全相同, 使金刚石 的应用领域大大扩大。 1 制备方法 1. 1 热灯丝CVD 法 (HFCVD) (如图1) ? 热灯丝CVD 法是在基片表面的附近用5 0. 15mm 左右螺旋钨丝通电加热、钨丝温度控制2000~ 2200℃。线 乇左右, 基片温度控 制在700~ 1000℃左右, 基片与钨丝距离l10mm , 然后通入CH4 和H2 混合气体,使它们激发离解, 从而在基片表面生成金刚石。此法的改良形式是 EACVD 法,实际上就是在热丝CVD 基础上给基片加 一个150V 左右偏压, 使薄膜在沉积过程中同时受 到电子的轰击, 可使薄膜中沉积速率得到提高。 此方法简单易行,缺点是沉积速度较慢v 10Lm?h , 不均匀, 工艺稳定性差, 易污染。 1. 2 微波等离子体CVD 法(M PCVD) (如图2) ? M PCVD 是将微波发生器产生的微波用波导管经隔 离器进入反应器, 并通入CH4 和H2 混合气, 产生 CH4—H2 等离子体, 从而产生固体碳元素。 ? CH4 (气) 加热 C (固体) + 2H2 (气) ? 沉积到基片上并生成人造金刚石薄膜。M PCVD 法 能实现金刚石膜的低温沉积, 并且生成膜的结晶 性、晶体质量均很好。由于微波放电是无极放电, 因此, 不存在气体污染和电极腐蚀问题, 设备投 资小, 工作稳定, 此方法缺点是金刚石膜的生长 速率慢, 生膜面积小。 2 CVD 金刚石膜应用 ? CVD 金刚石薄膜有着广泛的用途, 应用价值 非常高。 ? CVD 金刚石膜具有高硬度和耐磨性, 可制 备高性能工具, 高强度耐磨材料。例如将 CVD 金刚石薄膜, 经过激光切割后焊到刀具 上制成焊接型金刚石工具, 也可将钻头、锯 片、车刀刀头?8943 .工具表面镀一层CVD 金刚石薄膜, 可提高工具寿命十倍到几十倍。 CVD 金刚 ? 石膜应用在汽车发动机缸套上, 可以大大提 高缸套使用寿命。在医学上使用有一层 CVD 金刚石薄膜的钛合金人工骨可代替不 锈钢人工骨, 其重量轻, 寿命长, 与人体肌肉 亲合力好。CVD 金刚石薄膜也可应用于录 放音磁头上,可使磁头寿命延长3~ 5 倍。用 CVD 金刚石厚膜制作的拉丝膜拉出的丝, 可 比PCD 制作的拉丝膜拉的丝质量好, 拉丝膜 寿命长。 ? CVD 金刚石膜具有高热导率、高绝缘电阻、 极低热膨胀系数等特性, 可作热沉处理。(室 温下金刚石导热率为硅的15 倍、铜的5 倍。 例如制作微波管、激光二极管、列阵器件、 大功率集成电路等高功率密度电路元件散 热片,从而提高该器件的功率寿命。


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