类金刚石薄膜材料

类金刚石膜技术基础一、类金刚石薄膜发展史：金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。

光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。

低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。

目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。

CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。

对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。

理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。

此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。

1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进程自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。

碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。

这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。

第六节正确选用DLC (类金刚石)涂层类金刚石diamond-like carbon，简称DLC薄膜，涂层的主要成分为碳，是以sp3、sp2键结合为主体，并混合有少量sp1键的远程无序立体网状非晶态结构，这种结构使得DLC薄膜具有一系列优良的物理化学性能，如红外波段透明、硬度高、摩擦系数小、化学性能稳定、热膨胀系数小等，从而使该薄膜在光学、电学、材料、机械、医学、航空航天等领域广泛应用。

由于制备技术和方法不同，DLC膜可能完全由碳元素组成，也可能含有大量的氢，因此一般来说，可将DLC薄膜分为含氢碳膜和不含氢碳膜。

根据薄膜中原子的键合方式(C-H、C-C、sp3、sp2等)及各种键比例不同，DLC膜又有不同的称谓：◎非晶碳(amorphous carbon，a-C)膜，膜中sp2键含量较高；◎含氢非晶碳(hydrogenated amor-phous carbon，a-C:H)膜；◎四面体非晶碳(tetra-hedral amorphous carbon，ta-C)膜，sp3键含量超过70%，也称非晶金刚石膜。

事实上，目前对DLC薄膜尚无明确的定义和统一的概念，但若以其宏观性质而论，国际上广为接受的标准为硬度达到天然金刚石硬度20%的绝缘无定形碳膜就称为DLC薄膜。

一、DLC膜的制备技术：DLC薄膜已经开发了许多种沉积方法，大体上可以分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。

PVD方法是在真空下加热或离化蒸发材料(石墨)，使蒸发粒子沉积在基片表面形成薄膜的一种方法。

按照加热方式不同，热蒸发有激光蒸发、电弧蒸发、电子束加热等方法。

溅射沉积是用高能离子轰击靶物质(石墨)，与靶表面原子发生弹性或非弹性碰撞，结果部分靶表面原子或原子团溅射出来，沉积在基板上形成薄膜。

CVD方法是在真空室内通入碳的氢化物、卤化物、氧化物，通过气体放电，在一定条件下促使它们发生分解、聚合、氧化、还原等化学反应过程，在基板上形成DLC薄膜的方法。

金刚石薄膜的性质、制备及应用金刚石薄膜因其独特的物理、化学性质而备受。

作为一种具有高硬度、高熔点、优良光学和电学性能的材料，金刚石薄膜在许多领域具有广泛的应用前景。

本文将详细探讨金刚石薄膜的性质、制备方法以及在各个领域中的应用，旨在为相关领域的研究提供参考和借鉴。

金刚石薄膜具有许多优异的物理和化学性质。

金刚石是已知的世界上最硬的物质，其硬度远高于其他天然矿物。

金刚石的熔点高达3550℃，远高于其他碳材料。

金刚石还具有优良的光学和电学性能。

其透明度较高，可用于制造高效光电设备。

同时，金刚石具有优异的热导率和电绝缘性能，使其在高温和强电场环境下具有广泛的应用潜力。

制备金刚石薄膜的方法主要有物理法、化学法和电子束物理法等。

物理法包括热解吸和化学气相沉积等，可制备高纯度、高质量的金刚石薄膜。

化学法主要包括有机化学气相沉积和溶液法等，具有沉积速率快、设备简单等优点。

电子束物理法是一种较为新兴的方法，具有较高的沉积速率和良好的薄膜质量。

各种方法的优劣和适用范围因具体应用场景而异，需根据实际需求进行选择。

光电领域：金刚石薄膜具有优良的光学性能，可用于制造高效光电设备。

例如，利用金刚石薄膜制造的太阳能电池可将更多的光能转化为电能。

金刚石薄膜还可用于制造高品质的激光器、光电探测器和光学窗口等。

高温领域：金刚石的熔点高达3550℃，使其在高温环境下具有广泛的应用潜力。

例如，金刚石薄膜可应用于高温炉的制造，提高炉具的耐高温性能和加热效率。

金刚石薄膜还可用于制造高温传感器和热电偶等。

高压力领域：金刚石具有很高的硬度，使其在高压环境下保持稳定。

因此，金刚石薄膜可应用于高压设备的制造，如高压泵、超高压测试仪器等。

金刚石薄膜还可用于制造高精度的光学镜头和机械零件等。

本文对金刚石薄膜的性质、制备及应用进行了详细的探讨。

作为一种具有高硬度、高熔点、优良光学和电学性能的材料，金刚石薄膜在光电、高温、高压力等领域具有广泛的应用前景。

新材料概论——金刚石薄膜金刚石是一种最坚硬的自然物质，由碳元素组成。

它的硬度远远超过其他任何材料，因此被广泛用于切割工具、磨料和研磨材料等领域。

然而，金刚石的应用受到其自然形态的限制，即大部分金刚石都以颗粒形式存在，而不是块体材料。

为了克服这个限制，科学家们研究出了一种新的材料，金刚石薄膜。

金刚石薄膜是一种由金刚石颗粒组成的薄层材料。

它可以通过化学气相沉积、物理气相沉积等方法制备而成。

金刚石薄膜具有许多优良的性质，包括极高的硬度、优异的热导性、良好的化学稳定性和优秀的光学特性等。

这些性质使金刚石薄膜在许多领域具有广泛的应用前景。

首先，金刚石薄膜的极高硬度使其成为理想的切割和磨削材料。

由于金刚石薄膜硬度大约是钢材的100倍，它可以用于制造高性能的切割刀具和磨料，用于加工硬质材料如玻璃、陶瓷和金属等。

金刚石薄膜的硬度也使其成为一种理想的涂层材料，可以提供耐磨、耐腐蚀和耐高温的性能。

其次，金刚石薄膜具有优异的热导性。

由于金刚石薄膜的热导率非常高，它可以用于制造高效的散热器和热管理器件。

这对于电子设备和光学器件等高功率和高温度应用非常重要，可以显著提高设备的稳定性和寿命。

此外，金刚石薄膜还具有良好的化学稳定性。

它在大多数化学溶剂和酸碱环境下都能保持稳定，不易发生腐蚀。

这使得金刚石薄膜在生物医学、环境监测和化学工程等领域具有广泛的应用潜力。

例如，金刚石薄膜可以用于制备生物传感器和电化学传感器，用于检测生物分子和环境污染物。

最后，金刚石薄膜还具有优秀的光学特性。

它具有高透明度和低吸收率，可以在广泛的光学波段内传输光线。

这使得金刚石薄膜在光学器件、光学涂层和光学传感器等领域具有广泛的应用。

例如，金刚石薄膜可以用于制造高性能的光学窗口、激光镜片和光学纤维等。

综上所述，金刚石薄膜是一种具有极高硬度、优异热导性、良好化学稳定性和光学特性的新材料。

它可以应用于切割工具、磨料、涂层、散热器、生物医学、环境监测、光学器件等众多领域。

金刚石薄膜研究及在制造业中的应用金刚石薄膜是一种高科技材料，具有优异的机械、光学、电子性能，被广泛应用于各个领域。

随着科技的不断进步，金刚石薄膜研究也不断深入，其在制造业中的应用也更加广泛。

一、金刚石薄膜的制备技术金刚石薄膜的制备技术主要包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两种方法。

CVD法是指将金刚石前体气体在热力学平衡条件下分解，沉积在衬底上形成金刚石薄膜。

该方法具有制备工艺简单、成本低等优点，但对设备和前体气体纯度要求较高，且易产生晶面取向不均匀等问题。

PVD法主要是利用离子束或者真空电镀等方法将金刚石材料沉积在衬底上。

该方法具有沉积速率快、晶面取向良好等优点，但缺点是设备复杂、制备周期长等。

二、金刚石薄膜在制造业中的应用1. 硬质合金刀具金刚石薄膜不仅硬度高，而且有优异的耐磨性能，使得其在制造业中的应用非常广泛，最为常见的应用就是硬质合金刀具。

生产硬质合金刀具的工艺主要包括两部分，即刀具材料的制备和刀具的制造加工。

其中，金刚石薄膜主要用于刀片的磨削和切削加工。

通过金刚石薄膜的应用，能够大幅提升硬质合金刀具的切削效率和耐磨性能。

2. IC制造IC制造是目前普遍应用金刚石薄膜的领域之一。

在IC生产过程中，金刚石薄膜可用作金属线路的保护层和刻蚀标记层，能够大幅提升IC制造的效率和稳定性。

为了提高IC器件的可靠性和生产效率，人们通过金刚石薄膜的应用，使IC器件的寿命更长，效率更高，品质更稳定。

3. 机械密封件机械密封件是金刚石薄膜在制造业中的另一个应用领域。

在高压、高温和强腐蚀环境下，金刚石薄膜的耐磨性、耐腐蚀性和高压强度能力非常优异，使得其广泛应用于机械密封件的制造过程中。

通过金刚石薄膜的应用，能够大幅提高机械密封件在高强度、高温度和腐蚀环境下的使用寿命和性能稳定性。

三、金刚石薄膜在未来的发展与应用随着人们对金刚石薄膜的研究不断深入，其未来的应用领域也会越来越广泛。

目前，有关金刚石薄膜材料的研究主要集中在以下几个方面：1. 提高金刚石薄膜的厚度和质量目前，金刚石薄膜的厚度仍然比较薄，只有几纳米，受到厚度限制的应用场景也较为有限。

类金刚石薄膜材料班级：材料物理081401姓名：谭旭松学号：2007140201241.1类金刚石薄膜材料的概述类金刚石薄膜（Diamond Like Carbon）简称DLC,它是一类性质近似于金刚石，以sp3和 sp2键杂化的碳原子空间网络结构的亚稳态非晶碳膜。

依据制备方法和工艺不同，DLC的性质可以在非常大的范围变化，既可能非常类似与金刚石，也可能非常类似与石墨。

其硬度、摩擦系数、导热率、光学带隙、光学透光率、电阻率等都可以依据需要进行“调制”。

一般类金刚石薄膜沉积温度较低、膜面平整光滑，因而在机械电子光学声学计算机的很多领域得到应用，如耐磨层、高频扬声器振膜、光学保护膜等，因此对DLC的开发研究引起很多材料工作者的极大关注。

自从1971年Aisenberg 和Chabot 两位科学家利用碳离子束沉积出DLC 薄膜以来，人们已经成功地研究出了许多物理气相沉积、化学气相沉积以及液相法制备DLC 薄膜的新方法和新技术。

这之中有两个法分别为气相法和沉积法。

1.2类金刚石薄膜材料的结构和分类常态下碳有三种键和方式：sp1，sp2，sp3。

在sp3态碳原子的四个电子按四面体形状分布成sp3杂化轨道，形成强σ键；在sp2态，碳原子的四个电子中的三个形成在同一平面内的三次轴对称的sp2杂化轨道，它们可形成强σ键第四个电子轨道与该平面垂直，形成π键；在sp1态，仅两个电子形成σ键，另两个电子形成π键。

金刚石（diamond）—碳碳以 sp3键的形式结合；石墨（graphite）—碳碳以sp2键的形式结合；而类金刚石（DLC）—碳碳则是以sp3和 sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性；所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，因而类金刚石薄膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间，收沉积环境和沉积方式影响类金刚石薄膜中还可能含有H等杂质，形成一定数量的C-H键。

类金刚石薄膜制备及应用综述类金刚石薄膜是一种具有高硬度、高热导率、化学稳定性良好等优良性能的材料，在多个领域有着广泛的应用。

在本综述中，我将就类金刚石薄膜的制备方法、特性及应用进行详细的介绍，以期为相关领域的研究人员提供指导和借鉴。

一、类金刚石薄膜的制备方法1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的制备类金刚石薄膜的方法，其核心原理是利用化学反应在基板表面上沉积出单质碳或烷烃单体，再通过合适的条件使其聚合形成类金刚石薄膜。

其优点是工艺成熟、生产效率高，所需设备成本较高，对操作者的技术要求也较高。

2. 微波等离子体化学气相沉积法微波等离子体化学气相沉积法则是在化学气相沉积法的基础上引入了等离子体，利用微波等离子体来活化反应气体，提高沉积速率和质量，从而得到较高质量的类金刚石薄膜。

3. 溅射法溅射法是利用高能粒子轰击类金刚石靶材，使其表面的碳原子脱离靶材并在基底表面重新结晶形成薄膜。

该方法制备的类金刚石薄膜质量较好，但成本较高。

二、类金刚石薄膜的特性1. 高硬度类金刚石薄膜具有与天然金刚石相近的硬度，达到10GPa以上。

这使得类金刚石薄膜在一些需要高耐磨性能的领域有着广泛的应用，如刀具表面涂层等。

2. 高热导率类金刚石薄膜具有非常高的热导率，可达到约2000W/mK，因此被广泛用于热管理领域，如散热片、导热膏等。

3. 化学稳定性良好类金刚石薄膜在化学腐蚀等方面具有较好的稳定性，这使其在一些特殊的化学环境下得到应用。

4. 其它特性除了上述特性之外，类金刚石薄膜还具有较好的光学性能、生物相容性等特性，这为其在生物医疗、光学涂层等领域的应用提供了可能。

三、类金刚石薄膜的应用1. 刀具涂层由于其高硬度与耐磨性能，类金刚石薄膜被广泛应用于刀具涂层，能够大大提高刀具的使用寿命与切削性能。

2. 热管理材料类金刚石薄膜的高热导率使其成为理想的热管理材料，广泛应用于散热片、导热膏等领域。

3. 光学涂层类金刚石薄膜的优良光学性能使其在激光光学、液晶面板等领域有着广泛的应用。

DLC膜类金刚石膜(Diamond-Like-Carbon，DLC)，是一种非晶碳膜，它具有类似天然金刚石的许多性质，如高硬度、低摩擦系数、高电阻率、良好的光学性能、高化学稳定性等[1,2]。

因此，DLC膜广泛应用于机械、磁记录技术、光电、激光等领域，从20世纪80年代以来一直是薄膜技术领域研究的热点之一。

由于制备方法和采用的碳原子载气相沉积(PVD)制备的。

体不同，生成的DLC 膜中原子的键合方式(有C-H、C- C)及碳原子之间的键合方式(有sp2、sp3等)有所不同，并且各种键合方式的比例不同。

因此DLC膜是范围很大的一类非晶碳膜，为sp2、sp3键共存(石墨为sp2键、金刚石为sp3键)。

根据膜中含氢与否可分为无氢和含氢DLC，即ta-C和ta-C:H。

含氢的类金刚石膜是通过化学气相沉积(CVD)制备的，而不含氢的类金刚石膜是通过物理不同工艺制备的DLC的成分、结构和性能相差较大，一般把硬度超过金刚石硬度20%的绝缘无定型非晶碳膜称为类金刚石膜。

图1是类金刚石的C-H相图[3]，可以看出，只有相图的上半部分才能形成DLC，图中ta-C和ta-C:H的区域即DLC的形成区域，它们均是含sp3键较多的区域。

典型的ta-C:H膜含sp3部分要少于50%，而ta-C膜(即四面体碳ta-C)包含85%甚至更高含量的sp3键。

图1 类金刚石C-H图在直流放电等离子体中，Whitmell和Williamson首次用碳氢气体制备了DLC 膜。

此后，DLC膜已被多种方法制备，它们的主要共同特征都是在粒子轰击的条件下成膜的，荷能离子对膜生长表面的轰击对其sp3键结构的形成起着关键的作用，故又称之为离子碳膜，并记为i-C。

到目前为止，类金刚石膜的制备方法大致可以分为两大类：物理气相沉积法和等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)。

前者包括蒸发镀膜、磁控溅射、离子束镀膜、脉冲激光沉积、激光-离子束沉积、磁过滤真空弧沉积方法等。