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金剛石薄膜的發展、制備及應用

更新時間:2009-06-09  |  點擊率:4129

金剛石又名鉆石,除了其絢麗的色彩受到人們的珍視 到 1982年,日本科學家 Matsumoto和 Sato等使用熱絲化學
外,其所具有*的、的優異物理和化學性能(如 氣相沉積(HFCVD)法在0.001~0.010MPa的低壓下用CH4
機械特性、熱學特性、光學特性、縱波聲速、半導體特性及 和 H2 的混合氣體成功地合成了金剛石薄膜,并且利用
化學惰性等)也備受人們的關注。這些性質在自然界所有的 CVD 技術合成的金剛石薄膜物理性質和天然金剛石基本相
材料中均是的,比如:金剛石的硬度是自然界中zui 同或相近,它們的化學性質則*相同,這使得金剛石的應
高的;熱傳導率也為已知材料中zui高的(室溫下為硅的 15 用領域進一步擴大。這一技術的成功讓人們再次看到廣泛應
倍、銅的5倍);高絕緣性和從紅外到紫外的極寬透光性等。 用金剛石的曙光,從而掀起了一個研究金剛石薄膜的熱潮。
但是由于天然金剛石在自然界中的含量極少,而且價格昂
1   金剛石薄膜制備方法及其原理
貴,不可能把大量的金剛石用于工業用途上,因而人們的研
究興趣很快轉移到人工合成金剛石上來。早在 18 世紀末人 金剛石的合成方法從50年代的高溫高壓(HTHP)到80
們就通過使金剛石燃燒的辦法知道了金剛石是由碳組成,即 年代初日本科學家使用的CVD,再到今天的多種合成方
金剛石是石墨的同素異形體,因此人們就開始試圖通過石墨 法,在這將近半個世紀的時間里金剛石薄膜的制備工藝有了
來合成金剛石。  長足的發展。目前較成熟且有發展前途的方法有:熱絲CVD
隨后,美國和俄羅斯科學家在近代熱力學的指導下制造 法(HFCVD)、燃燒火焰沉積法(Flame deposition)、直流電
金剛石。在1955年,Berman和Simon發表了金剛石和石墨 弧等離子噴射 CVD法(DAPCVD)、微波等離子體 CVD 法
處于平衡態時的高溫和高壓線,指出在金剛石和石墨的平衡 (WMPCVD)、激光輔助 CVD 法(LACVD)。下面介紹常
線上方金剛石是穩定的,在平衡線下方石墨是穩定的;金剛 見的幾種制備方法及其制備原理:
[1,2]
石和石墨的表面自由能之差為 2090J/mol,暗示了在高溫高 (1)熱絲 CVD 法(HFCVD) 。此方法是熱分解法
壓平衡線附近,在催化劑的作用下,過飽和的碳可能凝結為 合成金剛石薄膜的發展,zui早是在 1982 年由日本科學家
亞穩態的金剛石。同年,美國的General Electric公司成功地 Matsumoto和Sato等提出的。該方法雖提出較早,但目前使
合成了金剛石。他們把碳溶解在金屬(過渡金屬,如鎳、鐵、 用仍非常普遍,并且已經發展成沉積金剛石薄膜較為成熟的
錳等)催化劑的溶液里,在 2000℃、5.5GPa 條件下,通過 方法之一。這種方法的基本原理是靠在襯底上方設置金屬熱
使過飽和碳結晶而形成金剛石。但是由于高溫高壓合成的金 絲(如鎢、鉭絲等)高溫(2000~2200℃)加熱分解含碳的
剛石呈粉末狀,生成顆粒較小且成本高,使得人工合成金剛 氣體,形成活性粒子在原子氫的作用下在襯底(保持在700~
石在實際中的應用受到很大的限制。  1000℃)上沉積而形成金剛石。此方法簡單易行,缺點就是
20 世紀 60 年代,人們認識到在碳氫化合物熱解過程產 沉積速率較慢(V<10?m/h,不均勻,工藝穩定性差,易污
生的原子氫能夠促進金剛石的形成,70年代中期,蘇聯科學 染。zui近還提出兩種改良的HFCVD模型:反應氣體分送的
[3]
家觀察到原子氫能促進金剛石的形成和阻止石墨的共生。直 HFCVD 法 (碳源氣體和氫氣由熱絲的下方和上方分別送

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