纳米金刚石薄膜的微结构和残余应力

纳米光学金刚石薄膜的分析与改进
纳米光学金刚石薄膜的分析与改进
由于极其优良的热学和光学性能,纳米金刚石薄膜极有可能应用于背投电视的激光光学窗口.文章通过在热丝辅助化学气相沉积法中采用偏压增强成核(BEN-HFCVD),成功地在(100)硅衬底上制得了适于作为光学窗口的高质量的.光学级纳米金刚石薄膜,采用的偏压为-30 V.通过表征制备的纳米金刚石薄膜,发现它具有光滑的表面,表面均方根粗糙度(RMS)约为10 nm,并且对自支撑纳米金刚石薄膜进行透射光谱分析得到其透射率达到了50 %.
作者：胡广王林军祝雪丰刘建民黄健徐金勇夏义本HU Guang WANG Lin-jun ZHU Xue-feng LIU Jian-min HUANG Jian XU Jin-yong XIA Yi-ben 作者单位：上海大学,材料科学与工程学院,上海,200072 刊名：液晶与显示 ISTIC PKU 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF LIQUID CRYSTALS AND DISPLAYS 年，卷(期)：2007 22(5) 分类号： O484 关键词：纳米金刚石光学性质表面粗糙度偏压增强成核-热丝辅助化学气相沉积法 nano-diamond optical properties surface roughness bias enhanced nucleation hot filament chemical vapor deposition。

纳米金刚石薄膜摘要纳米金刚石膜的研究已经成为CVD 金刚石膜研究领域的一个新的热点。

本文重点阐述了纳米金刚石薄膜的制备、表征以及它的性能和应用，最后引出其将来的应用前景。

关键词纳米金刚石薄膜，制备，表征，性能及应用Nanocrystalline diamond filmsABSTRACT Nanocrystalline diamond films have become a new ”hot point”in the development of diamond films prepared by chemical vapor deposition. This article mainly illustrates the preparation, indications , performance and applications about the nanodiamond film. Finally,po tential applications of these films are discussed.KEY WORDS nanocrystalline diamond films, preparation,characterization，property and applications1 引言金刚石是目前自然界中已知硬度最高的物质，在力学、热学、光学、电学和化学等方面拥有许多优异的性能。

但自然界中天然金刚石的含量却非常少，人工制备也比较困难，主要由于低压时金刚石是亚稳相，而石墨为稳相，长期以来，在经典热力学中似乎认为在低压下由石墨相制造金刚石是不可能的。

直到1970年前后，前苏联Deryaguin , Spitsyn和Fedoseev等成功地实现了低压条件下从石墨到金刚石的转变，并在1976年公开发表了非金刚石衬底上气相生长金刚石的美丽晶体照片，人们才改变了低压下不能合成金刚石的传统观点。

2016年3月刊【摘要】金刚石在力学、热学、电学、化学等方面有着重要的性能，而且金刚石在当前条件下是硬度最高的物质，在实际的生活和生产中均发挥着重要作用，但是由于天然的金刚石数量有限，人们需要通过不同的方法去制备人工金刚石。

本文主要探讨的是纳米金刚石薄膜的制备机理及其机械性能研究问题，在具体的探讨过程中首先从纳米金刚石的概述入手去分析，其次对纳米金刚石膜的制备工艺进行了研究分析，最后分析了纳米金刚石薄膜的机械性能。

【关键词】纳米金刚石薄膜；制备机理；机械性能；研究分析金刚石在实际的生活和生产中有着重要的应用价值，鉴于天然金刚石含量较少，许多学者通过深入研究分析得到了人工金刚石的制备方法，在当前条件下，微米金刚石膜的制备工艺取得了重要进展，但是在实际的应用过程中人们发现，微米金刚石表面相对较为粗糙，应用范围有限，同时由于微米金刚石内部存在的缺陷导致其实际性质发生了改变，这样人们又开始深入研究纳米金刚石薄膜的制备，本文主要就纳米金刚石薄膜的制备机理及其机械性能研究分析如下：一、纳米金刚石概述随着纳米技术以及微机电系统的进一步发展，为纳米金刚石薄膜的研究提供了基础保障，纳米金刚石材料由于其颗粒较小，已经达到了纳米级别，所以由其制成的纳米金刚石无论是在尺寸方面还是在相关的性能表现方面，均有了重要改善。

微米金刚石薄膜的晶粒尺寸大约是几十微米，但是纳米金刚石薄膜的晶粒尺寸可以达到３—２０纳米，微米金刚石薄膜的表面比较粗糙，但是纳米金刚石的表面粗糙度小于０．４８，此外，纳米金刚石薄膜的摩擦系数也减少了，正是基于以上的诸多优点，纳米金刚石在众多的行业领域都有重要的应用价值，比如在刀具涂层、电化学工业、光学保护膜等。

二、纳米金刚石膜的制备工艺研究分析纳米金刚石薄膜在制备过程中通常采用的是化学气象沉积法制备，其基本原理为混合含碳的氧气以及过饱和的氢气，然后通过某种方法实施活化，然后在规定的气体成分、衬底温度、活化能能量等相关条件下，在衬底表面逐渐的形成金刚石薄膜，从而完成人工金刚石薄膜的制备。

纳米金刚石薄膜的制备与应用综述作者：李育凌来源：《科技风》2019年第05期摘要：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。

关键词：纳米金刚石薄膜;制备;应用1 纳米金刚石薄膜（纳米金刚石）的制备1.1 主要制备方法1.1.1 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，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。

1.1.2 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。

1.1.3 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，并可以通過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。

1.2 制备过程中的影响因素1.2.1 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。

第十三节 Tac非晶四面体金刚石（纳米金刚石镀膜）纳米金刚石镀膜，是一种源于太空技术的镀膜技术。

该技术生产的纳米级非晶金刚石薄膜最薄可以达到2纳米，金刚石结构SP3的含量超过80%。

这样的薄膜具有天然金刚石的许多优异特性：它生成的薄膜具有超硬、耐磨、高绝缘、高导热率、摩擦系数低、膜层均匀、致密度高、耐腐蚀和附着力高等特点，薄膜还具有无色透明，对材质的光学特性基本不产生影响。

摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。

它是和表面的粗糙度有关，而和接触面积的大小无关。

依运动的性质，它可分为动摩擦系数和静摩擦系数。

滑动摩擦力是两物体相互接触发生相对滑动而产生的。

一、结构：非晶四面体二、成分：金刚石三、性能：1）硬度：8000HV2）摩擦系数：＜0.1，基材光洁度越高，摩擦系数越好，最高可达到0.001以内 (摩擦系数是一个系数，没有计量单位)；3）导热性：散热快；4）绝缘性：高；5）稳定性：耐腐蚀性好；6）镀膜温度：低温60 ℃；7）膜厚：0.1微米；四、与其它表面处理的效果对比：光洁度高、易脱模、寿命高；五、加工方式：1）镀膜是通过溅射的方式，依垂直的方向把金刚石镀到基材上的，垂直加工到的面效果更好；侧面加工出来的镀膜层会薄一些，若要把侧面加工的厚度后也达到0.1微米，就要多镀几次，但要把其它已OK的镀膜面遮挡起来，否则一直镀，镀膜层太厚会裂开；2）盲孔或窄槽位：加工到的径深比为1:1(加工到的深度为孔径的尺寸)；2）通孔：可以加工，但侧壁的厚度会薄一些，要多镀几次；4）退镀膜：是通过等离子退镀层，退的时长是加工的5倍左右；六、纳米金刚石镀膜的特性：1、高硬度，国内国际的多项测定表明，纳米压入仪测定的硬度达到80GPa（HV8000），经由纳米金刚石镀膜的工具及产品，硬度远远大于未经镀膜的；2、镀膜与基体的结合度极高，不会产生镀膜层脱落；3、摩擦系数低至0.092-0.105（对金属钢）；4、耐磨性能急速提高。

纳米薄膜材料的应力行为研究引言：纳米薄膜材料是一种厚度在纳米尺寸范围内的薄膜材料，具有独特的物理和化学性质。

在纳米材料的尺寸效应下，其应力行为与传统材料存在显著差异。

由于纳米薄膜材料的应力行为对其性能和稳定性具有重要影响，对其应力行为进行深入研究具有重要的理论和实际意义。

本文将重点探讨纳米薄膜材料的应力行为研究的相关内容。

1.纳米薄膜材料的应力来源纳米薄膜材料的应力可以来自多种源。

首先，纳米薄膜材料与基底的晶格匹配度不完美，存在晶格应变，导致薄膜材料存在内部应力。

其次，由于纳米薄膜的制备过程中可能存在的工艺参数变化，导致薄膜材料内部存在残余应力。

此外，纳米薄膜材料表面的氧化或者涂层可以引入额外的应力。

这些应力来源共同作用在纳米薄膜材料上，产生复杂的应力行为。

2.纳米薄膜材料的力学性质纳米薄膜材料在应力作用下表现出与体材料不同的力学性质。

一方面，纳米薄膜材料的弹性模量和屈服强度会随着薄膜厚度的减小而发生变化，呈现尺寸效应。

这种尺寸效应主要由于薄膜材料的晶体结构在纳米尺寸下的改变所引起。

另一方面，纳米薄膜材料还表现出剪切应力集中和变形局部化等特点。

这些力学性质的变化将显著影响纳米薄膜材料的力学性能和稳定性。

3.纳米薄膜材料的应力测量方法为了研究纳米薄膜材料的应力行为，科研人员提出了多种应力测量方法。

其中最常用的方法包括X射线衍射测量、激光散射测量、原子力显微镜测量等。

这些方法可以通过测量纳米薄膜材料的应变或者表面变形来间接获得其应力信息。

另外，还有一些新兴的纳米力学测试方法，如压痕、扫描电子显微镜等，也被用于研究纳米薄膜材料的应力行为。

4.纳米薄膜材料的应力演化行为纳米薄膜材料在长时间作用下，其应力会发生演化。

这种演化可能包括塑性迁移、弛豫、弹性回复等行为。

尤其是在高温和大应力条件下，纳米薄膜材料的应力演化行为更加显著。

研究纳米薄膜材料的应力演化行为有助于了解其力学性质的动态变化，并提供优化设计纳米薄膜材料的依据。

金刚石薄膜分类
金刚石薄膜是一种重要的功能材料，在许多领域有广泛的应用，如信息技术、生命科学、能源储存等。

根据制备方法、结构特征、性能表现等方面，可以将金刚石薄膜分为不同的类别。

其中，常见的几种金刚石薄膜分类如下：
1. 晶体金刚石薄膜：晶体金刚石薄膜是用气相沉积等方法在基底上生长的金刚石晶体。

这种薄膜具有优异的热导率、硬度、化学稳定性和机械性能，是一种理想的高温、高压和高频电子器件材料。

2. 纳米金刚石薄膜：纳米金刚石薄膜是由纳米尺度的金刚石颗粒组成的薄膜。

这种薄膜具有高比表面积、优异的化学稳定性、生物相容性和光学性能，是一种重要的生物传感器、光学波导和催化剂材料。

3. 多层金刚石薄膜：多层金刚石薄膜是由多个金刚石薄膜层组成的复合材料。

这种薄膜具有优异的耐磨、耐腐蚀和抗刮擦性能，是一种理想的涂层材料，广泛应用于机器制造、汽车工业和航空航天领域。

4. 氢化金刚石薄膜：氢化金刚石薄膜是在金刚石薄膜表面加氢处理后形成的。

这种薄膜具有高的光学透过率、低的摩擦系数和压电效应，是一种理想的光学透镜、摩擦材料和传感器材料。

5. 氮化金刚石薄膜：氮化金刚石薄膜是在金刚石薄膜表面氮化处理后形成的。

这种薄膜具有优异的导电性、光学性能和生物相容
性，是一种重要的半导体材料、生物传感器和光电器件材料。

以上就是金刚石薄膜的一些常见分类，不同类别的金刚石薄膜在不同领域具有广泛的应用前景和发展潜力。