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纳米金刚石膜——一种新的具有广阔应用前景的CVD金刚石

2021-07-02 来源:客趣旅游网
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第3l卷第2期 人工晶体学报 V .31 No 2 20∞年4月 J0UpLx,+AL OF SYNIHE3'IC CRYS'L&LS A .20呓 纳米金刚石膜——一种新的具有广阔 应用前景的CVD金刚石 韩毅松,玄真武,刘尔凯,侯立 (北京天地东方超硬材料股份有限公司,北京100018) 摘要:以氢气为主要反应气体生长的cvD金刚石膜的晶粒尺寸过大限制了它在某些领域的进一步应用。当晶粒组 成降到纳米级时,金刚石膜会表现出许多优异的性能,具有广阔的应用前景。与通常的cvD法生长金剐石的工艺 不同,氩气在纳米金刚石的生长过程中发挥着重要作用。纳米金刚石的鉴定和评价是纳米金刚石研究中的重要 部分。 关键词:纳米金刚石;化学气相沉积;CVD金刚石 中国分类号:0484 文献标识码:A 文章编号:1000-985X(20ff2)02 ̄1158-06 Nanocrystailine Diamond lm——A New Kind of CVD Diamond Film with Wide Appficatiom Prospects in the Future HAN F ̄-song,XUANZhen-u ̄,L Er-kai,HOU厶 (Beij Trandl 0 ̄ent Super-abr ̄Materials Co..Lid,B 100018.0山诅) (Receh ̄/15 枷2001.∞删10 Beann&'r 2001) Ahib t:When erystallite size of CVD diamond films i8 controlled to hallO leve1.dianm ̄films exhibit SOITIe outstandingfeatures oomr ̄ea,dth mj 0crystauine diamondfdmsinterr ̄of ̄ysical and chemical aspects. Not similar to conventional MPCVD method(microwave plasma chemical vapor deposition)for diamond g ̄wth, Ari8themRill precursor and phys a veryiml ̄rtant role.Identiifcation and evaluationmethodsforthismaterial are equally important.Be∞use of nanocrystalline diamond’s excellent properties.it has many potential applications:micro-machines and other tiny devices,cutting tools,fiat panel displays,SAw(surface acoustic wave)devices,confonnal coatings and electrochemical eleeL, ̄xtes. Key words:nanocrystalline diamond;chemical vapor deposition;CVD dimnond 1前言 与其它材料相比,金刚石具有很多优异性质:所有材料中,金刚石具有最高的硬度、最高的热导率、最高 的传声速度;高的耐磨性,低的磨擦系数;既是电的绝缘体,又是热的良导体,掺杂后可成为卓越的P型或N 型半导体,有宽的禁带宽度,高的空穴迁移速率和最宽的透过波段(0.225微米至远红外),等等。 通常的化学气相沉积法生长出的金刚石膜(简称cvD金刚石)具有与单晶金剐石几乎相同的性能,它 收穑日期:2001一l1.15修订日期:2001.12—10 作者简开:韩毅橙(1975一).男,辽宁省^.助工 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 韩毅松等:纳米金刚石膜——种新的具有广阔廛盟煎量 c、 垒 互 塑 的出现解决了金刚石的大面积和复杂形状的应用问题。这种金刚石是由微米级(几微米到几十微米)柱状 多晶组成的,这给后续加工和进一步实用化带来很大难度。例如,生长面的极端粗糙和金刚石的高硬度、高 耐磨性使得膜片平整和抛光极为困难(金刚石膜应用的最大难度之一是尺寸精度加工,某些光学应用加工成 本比生长成本高几倍、几十倍甚至上百倍);膜片韧性较差,做成刀具很难胜任冲击较大的加工条件;金刚石 电阻率极高(电阻率109—10 ),无法用电加工的方法进行抛光和切割;膜片组成粒度较大,难以将其做成形 状精度要求很高的微小部件。 纳米级颗粒组成的金刚石膜除了具有普通微米级金刚石膜的性质之外,还会表现出一些新的优异性能. 如高光洁度、高韧性、较低的电阻率、低场发射电压等等,是一种具有广阔应用前景的新型材料。 2纳米金刚石膜的合成 以大比例氢气作为主要的反应气体合成纳米金刚石膜的方法很多:热丝CVD法[1,2 (HFCVD).微波等离 子体CVD法 J,电子回旋共振CVD(ECR)l4 ,直流电弧等离子体CVD法【5,6 J.等等。 通常认为,氢气,特别是通过热分解或等离子体碰撞产生的原子氢在金刚石成核和生长中发挥着不可替 代的决定性作用:(1)稳定金刚石的架构;(2)以更快的速度蚀刻掉石墨相,留下金刚石相。这种以氢气和另 一种碳源(如甲烷、酒精、丙酮等,有时也加人一些氧气)为主要反应气体生成的金刚石膜是微米级的柱状多 晶。 美国阿贡国家实验室(A ⅫeNational Laboratory)的Dr.DieterM.Gruen认为[’]:在纳米金刚石生长中 是重要的参与者和决定性的成分。c2是碳氢化合物(如甲烷)在等离子体中通过非平衡过程形成的,具有极 高的活性。当 气大量存在时,c2的浓度很低,当AT的比例逐渐增高时,c2的浓度也逐渐增高,并达到过 饱合状态。c2与碳氢化合物浓度之比较低的生长条件下,它极易与碳氢化合物生成大分子长链化合物,这 样不但难以生成金刚石,而且会导致大量非金刚石相(如石墨)生成;当c2与碳氢化合物浓度之比较高或很 高时,c2就会通过特有的机制形成稳定的金刚石结构。 基于这种理论,Dr.DieterM.Gruen的研究小组在90年代初开始以氩气为主要的反应气体,用微波等离 子体化学气相沉积的方法(MPCVD)生长纳米金刚石膜的研究。他们分别以C∞和甲烷为碳源,保持反应总气 量不变,不断增大氩气比例,降低氢气的比例,成功生长出了纳米金刚石膜。在此基础上,用氮气代替氩气, 同样成功生长出了纳米金刚石膜。具体生长参数如表1。 Table1 Some paramet ̄tin" 啊_il咤rm ̄rystahe di翻n咖Id NoletAIl bs响i used 鹏町 口)咖I siliean 妇BtreatedMth0-1/an dL ̄acnd p0 时 dL ̄acnd 帅也. 通人生长系统中的总的气体流量一定,甲烷的流量不变,随着AT浓度的增加(各气体组分浓度变化见表 2),金刚石膜的颗粒度会逐渐减小,当AT的浓度大于90%时,金刚石膜完成了从微米级向纳米级的转变。生 长表面的扫描电镜照片(浓度与表2相对应)见图1 。 从上图中我们不难看出晶粒的变化趋势:仅有2%的Ar加人时,膜由0、5 2、 一的晶粒组成,表面很 粗糙,晶形为{lIl{和{100},极少有--05成核;当Ar的浓度为20%时,{111}晶面仍是优先显露的晶面,但在 大的晶粒的周围出现了小的晶粒;Ar从40%增加到60%时这种小晶粒的数量明显增加了;当AT的浓度增加 维普资讯 http://www.cqvip.com

I60 人工晶体学报 第31卷 到80%时,大晶粒的边界或孪晶消失了,同时,也难以辨别小晶粒的晶面取向了;当Ar的比例达到90%时, 晶粒从微米级转化到纳米级,微米颗粒已经消失;当Ar的浓度为97%和99%时,晶粒的尺寸又进一步降 低了。 2 Vdmm pe嘣岬 Ar.it2。aI4h鲫 -e(a J-[b J-…-[h ■■一■ ■■■一 .1 The PlBI卜 eW sEM呻0ftim6l蛸PI from n'6cao ̄t- ̄e pk岫船 witl1 volume pe∞曲 0f li intim or0 ̄rAr 8Ild ,船 in Tahl ̄2 3纳米金刚石膜的鉴定、评价与性能测试 纳米金剐石由于晶粒极小、处在晶界的碳原子数大大增加(据推算 9,当平均晶粒度为3~5纳米时,晶 界处的原子数会超过10%),如何评价纳米金刚石的质量,如何通过合适的检测手段使它与其他形态的碳区 别开来是一个关键性的问题。Dr.Cauen提出评价纳米金刚石膜的四个重要条件l9 J,对鉴定和评价纳米金刚 石膜具有重要意义: (1)膜的晶粒粒度在几个到几百个纳米之间(3—15rim,颗粒很细;17—25rim,颗粒较细;75~375nm,颗粒 较粗)。这是纳米金刚石的一个最基本的条件。 (2)膜的厚度至少在3vm以上。众所周知,C'VD金剐石的生长过程中有一个优先机制,即晶粒越大越容 易长大(survival ofthela t)。用99%H2和1%CI-h生长金刚石时,未达到一定厚度以前(1vm),晶粒还没 有长大,当然是纳米级的。当膜的厚度超过1微米,只有生长过程仍然保持非常高的成核速度(1O cm s ),才能保证纳米金刚石均匀,稳定的生长。 (3)非金刚石成分要小于5%。这是纯纳米金剐石膜与其他类型碳膜的重要区别。有许多报道称在不 定形碳和类金剐石中存在纳米的颗粒,虽然这些膜往往也会表现出一些优异的光学、机械方面的性能,但并 不能说它们就是纯粹的纳米金刚石膜。只有通过严格的检测确定了金刚石成分所占的比例,才能明确指出 是否是真正长出了纳米金刚石。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 韩毅松等:纳米金刚石膜——一种新的具有广阔廛 重量 C、1D童 亘 ! (4)晶粒随机取向使晶粒之间得以最大限度的 键键合,只有这样才能保证纳米金刚石膜的优异的机械 性能。 以上这四个条件是相互关连的,缺一不可。 l ̄fflall光谱是金刚石研究中的一个常用方法。可见光为激发光(通常514nm),光谱对以SP 杂化的石 墨及非晶态碳等的敏感程度约为金刚石的50倍ll ,金刚石的Raman谱线有明显的特征峰(1332em )。图 2_l 为不同气体组分下生长出金刚石的散射图样(与图1相对应分析)。从中我们可以看出,随着金刚石颗 粒的减小,金刚石的特征峰逐渐变弱,到(f)、(g)时已完全失去明显的尖峰,同时,1400—1600ern 之问出现的 较宽的散射。1332 Cl'nI1的金刚石特征峰逐渐变宽是由于金刚石的晶粒尺寸减小造成的,而1400~1600 Cl'nI1 之间出现的较弱的散射峰是由于纳米金刚石晶界中大量的 键造成的【17,18] 另外,在1150 LⅧ 处的小的 突起可能就是纳米金刚石的特征峰,这个结果还有待进一步考察_l6J。用有更高光子能量的紫外光为激发光 (244nlt1),能够提高sPa键的散射强度,降低sP2键的散射强度,突出纳米金刚石膜中的金刚石相 图3l2 为 用c60生长的纳米金刚石膜和用c出生长的微米金刚石膜的紫外Raman散射光谱。两个样品都有金刚石的 特征尖峰,约为1333em-‘。纳米金刚石膜在1580era 处还有一个宽峰,这是纳米金刚石晶界中的大量以 SP2杂化方式存在的碳造成的。 Fig 2 R跏帅spectra 0fthe as-grownfilms depositedfromAr/I-lz/CI ̄I m e pl with reee ̄gas n x【um∞thoseforTable 2 扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)具有 较高分辨率(约0.2m),是研究金刚石微观结构的常 用工具。根据电镜图像,我们不但可以得到金刚石膜 的表面形貌,表面晶粒大小与分布,还可以得到金刚石 表面的一些缺陷的情况。图1即为金刚石生长表面照 片 可以使用选区电子衍射SAED[14 (seleeted- ̄ eleet ̄n difa'action)来估算金刚石膜的金刚石成分的纯 度,用电子能量损失谱EELS ̄l4_(eleetron . s spectroscopy)来测定金刚石膜的内部原子键合情况。 多种检测方法证明,以Ar为主要反应气体生长出 Fig 3 L ̄C-Rn.man spectra 0f C6o—grown 的纳米金刚石膜为纯金刚石多晶,各晶粒之间以sU NCD sad饥 gn 1MCDfdms 维普资讯 http://www.cqvip.com

曼堡堂塑 篁 卷l_ 方式键合。正是处于晶界处的sP 碳原子决定了大部分纳米金刚石膜的物理、化学性质【 。 4纳米金刚石膜的应用前景 与微米CVD金刚石膜相比,纳米金刚石膜有许多更优异的性能。表3是纳米金刚石膜与微米金刚石膜 和单晶金刚石的一些性能的比较。 与其他材料相比,金刚石最大的优点就在于,它是多种优异性质的集合体,这必将使它在各个领域得到 广泛应用。纳米金刚石更是如此: (1)微型机电领域【 ,以硅为主要材料的微型机电系统(MEMS,micro-electro.mechanical systems)已成功 应用于医疗卫生、交通、工业、航空航天方面。但硅的摩擦系数高、耐磨性差,无法满足某些高速运动部件对 材料的要求。纳米金刚石晶粒极细、表面光洁度高、硬度高、耐磨性好、磨擦系数低,是硅的理想替代材料。 它的成功应用必将给微型机电领域带来革命。 Table 3 Some orotm't ̄0f atmm'rsmn dimnm ̄胁comparedwith m.廿 b啦m ditmlaml胁anti蛐crmal ditmlaml (2)平板显示器 J。纳米金刚石具有极低的场发射预置电压和很高的电流密度,用它制造的平板显示 器将更为便宜,能耗更低并具有更大的视角。 (3)声表面波器件(SAW)。纳米金刚石的声表面波速与微米金刚石相差无几,但纳米金刚石的生长表面 更加平滑,这就大大降低了声表面波器件的加工成本。纳米金刚石的声表面器件的工作频率现已达到 1GItz,并有望达到5—7GHz。 (4)旋转轴密封件 J。纳米金刚石涂层旋转轴密封件有低摩擦,低磨损的特点,运转状况良好。 (5)电化学电极【划。纳米金刚石电极的表现与掺硼金刚石电极极为相近,这为其在电分析和电化学合 成领域的应用开辟了道路。 5结论 总之,纳米金刚石是一种具有众多优异性能,具有广阔应用前景的材料,它的成功研制和应用开发对工 业、农业、医药、国防都具有重要的现实和长远的意义。 参考文献 1珏al】gY F,珏al】I F,GaoQ J・d a1.卸血 9 ofN明 砷曲ne Diammd F'dminHot Filamem Chamleal VaporDei:csiti ̄Ry A曲ng At CAb* Phys lat.,2(101.tS(2):286—288 2 Chow L- DtHnssalnA,d al Chemical Vapor Depoaitlm 0f Novd0 Materials.Thin F//ms,2OOO,386:193—197 3 Lee JtHong B,Measle ̄R,Collins R_w.坤f.Phys.Lea,69(12):1716 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 韩毅松等:纳米金刚石膜——一种新的具有广阔应用前景的CVD垒 4,6 7 8 9 m ¨ 惶 ¨ 惦"培 册 笠 巧 曲 驾凹∞ Zarmblan bl,F,xueb.es-CotO ̄H. Ⅱb虮G.et al^ 脚Lett.1997,70(19):2535 Nismr LC,C帅L栅dIl J.IMche ̄o vG.et a1.凸 雎妇.^缸 .,1997.6:159 Ni ̄or L C,va廿【aⅡdu J,PM ̄enko V G,d al 舾 一,239一:Nl:ll5 Zuiker C,K曲】 AR c珈肌DM,el al 7 /d F/has,l995,埘:154  ̄uetl D M, S.K唧路A R d al J.且 .PAy,s.,1994.75:1785  ̄uetl D M oc州 _啪n蚰 Fi ,^Ⅳm.Rev .蹦.1999,挑21l一59 c 鲫TD, 札ss A R, ̄UetlDM,d a1.I埘 I、 【]l缸H『 e 帅"rIdm cl船s sub鲫址 F d E l矧∞AppI ・ 6一 .脑.s。c Syrup.腑., : 一蛳 c日IL】ey耵吼TIasG,Gm即DM, mJ罄AhnR, pe劬1 Det ̄lenee ofthe Ratefor Ha加。 e Di ̄nd Filr ̄[ ̄-poslted丘啪An Ar/CH4 叽啪 吼一且 ., .I .,73(12):1646—1648 2 D, mI罄A R,oin L C.S ̄thesis蚰d El Ⅱ∞F B 商叨of Nmme ̄tle 帅"nd 1h Films Crown Fmrn /Ⅱ Microbe H聃rms ,.押f J ., (9):4546—4550 zh0u D,G工u肌DM, n L C,eld.cc帅d ofDiamond nITllNJerc ̄ueture byAr Additionsto c / 呱 哪e Pl&啪a.J . -84:l98l一 89 ‰即D M.^ . . tb 脚脑,I993,B:78—1l8 蚰l D S, W B J.,Water船.,l989.4:385 Ne ̄mlekR J,Gl啷JT,L 州曲B,d ‰ Tb ,t998,A6:t783 cru肌DM,KrmJ罄AR.五Ilk cDd 且 ., .I .,1996,68{1640 Zi ̄er C D,KrmJ罄AR,cn眦DM 1996In印plic 帆s ofSynchrotron di砒_岫Teel ̄questo ̄erials Seiene ̄Ⅲ,ed q' ̄lo L J,Mini SM, AdeH,Pmy DL.432:21l升t H1l : .脑. cn眦D M,uu S,KrmJ罄A R,d al抑f.PAy's.I .,1994,64:1504  ̄uetl DM,Zu k阿CD. A R,d a1.J.‰.蹦. .1 ,13:l628 B—n R W.A如S A, d 础;R E,d a1.J.且 1995, :5916  ̄uetl DM,KrmJ罄A R,Zulke ̄c D,d .抑f .,1996,68:1640 bm蛐6C.erd,P昭 AIIlje,斑mI谳u d al G n陆Ⅱ山 曲anti Mechanical PmperLi ̄0f 0cly咖u_啪 帅orLd Fd瞄血 朋岫 B 硼d 珥邮 缸 朋 们 。2 。8:255—26O Ⅱde咄A,Fe, ̄eG R,K咖 AR,d al P’pe1l螂0f 明吲y咖u Di帅oruim瞄盛 & .,1999-120:565—572 Krau8s A R,Aueiello O.Gm印D M,et al邛疵哪0c LBlu 帅"rId 1h F'ar ̄F0r MK'dS a廿d M ng M ̄ehanical A—b Ek… 硼w d 们 .2∞1.1O:l9鸵一I96I KrmJ罄AR,AueielloO,D吨M Q,d al ElectronnddB ForI胁anm嘟 alline 帅orLd FⅡ瞄,船 脚.,哪(5 J:2958—2 CrIl曲DM,K咖 AR,丑跏D et 如m如 . 腑,Pv 一95,B l ,M,1 :325 z日p0l P,c L A, ∞DM,d al№脑. . .腑.,1999, ̄:371 SwainGregM,And四叽A【 B, a Jolm c.Appli叫_哪s of Di唧叩d1 F'ar ̄in口 咖.加 m融 ,1998,(9):56—59 B 肌F L喊t,Midlael C C 目,№t—L}IL 【,et a1. Ek血ocl】 li n ni曲0f N蚰吣y山Ⅱ_啪Diamond'INwfilms Dep ̄ited from( A 目 岫¨lk q目舶妇 I .层L_:∞ 2 ,12(I):7—15 

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