纳米金刚石薄膜的性能研究

应 用于半导体器件的掺杂纳米金刚石膜
苏 汪 华 ， 礼威 ， 江 含 ， 建 熊 刘鹏飞 ， 川
（． １ 武汉 工程 大学湖 北省 等 离子体化 学 与新材料 重 点 实验 室， 武汉 ４ ０ ７ ； ３ ０ ４
２ 中 国科 学 院等 离子 体物 理研 究所 ， 肥 ２ ０ ３ ） ． 合 ３ ０ １
可 以实 现金 刚 石 薄 膜 的硼 掺 杂． 硼 金 刚石 薄膜 掺
的研 究 也 已经 非 常 成 熟 ， 用 同质 外延 生 长法 得 采
到的硼 掺杂金 刚石 薄膜 的研 究 中 ， ｍａ ａ ａ等ｌ Ｙａ ｎ ｋ ＿ ５ ］ 测 量其 霍 尔 迁 移 率 达 到 １８ ０ ｅ ４ ｍ。・（ ・ｓ ＿ ． Ｖ ）。
１ 金 刚 石 掺 杂 类型 的研 究
采用微 波 等离子 体化 学 气相 沉 积 （ ｃｏ ｖ Ｍｉ ｗａ ｅ ｒ
ｐａ ｍａｃ ｅ ｃ ｌ ａ ｏ ｅ ｏ ｉｏ ， Ｃ ｌｓ ｈ ｍｉ ｐ ｒｄ ｐ ｓ ｉｎ ＭＰ ＶＤ） 合 ａｖ ｔ 法
难 题． 种 理 论 和 实 践 研 究 都 没 能 很 好 的 证 明 哪 各 种施 主原子 能够 产 生 足够 浅 的能 级 ， 室 温 下 能 在 产生 电子使 之导 电． 现将 可能 使金 刚石 薄膜 产 生 ｎ
纳米 金 刚石 薄 膜进 行掺 杂 研究 也成 为金 刚石 薄膜 材料 研究 领域 的一个 新 的热点 方 向．
迁 移率 ， 别得 到 了室 温 电子迁 移 率 ４５ ０ｅ ・ 分 ０ ｍ
（ ・ ） ， 穴迁移 率 ３８ ０ｃ ・ Ｖ ・ ） 。 Ｖ ｓ～ 空 ０ ｍ （ ｓ ＿． １ ２ 金 刚石薄膜 的 ｎ型掺 杂 ． 金 刚石 薄 膜 的 ｎ型 掺杂 是 世界 各 国研究 开 发 的最热 门 的课 题 之 一 ， 是 被公 认 的 尚未解 决 的 也

金刚石薄膜技术及其应用金刚石是一种硬度极高的天然矿物，于20世纪60年代起被学界广泛研究。

随着材料科学技术的不断进步，金刚石薄膜技术也逐渐成为研究的热点之一。

本文将从金刚石薄膜技术的原理、制备方法及其应用的方面进行阐述。

一、金刚石薄膜技术原理金刚石薄膜技术主要利用化学气相沉积（CVD）的方式在基材表面生长金刚石薄膜。

这种方法通常需要高温（在800℃以上）和高气压的气氛下进行，需要一些特殊的条件。

CVD是一种利用热分解气体在表面形成固体物质的工艺。

在CVD法生长金刚石薄膜的过程中，应先将气流中的气体分离出不含杂质、单质态的纯氢气，在高温下将氢气还原出单质氢原子，在这些氢原子的作用下，金刚石的碳原子就会在基材表面上生长。

二、金刚石薄膜技术制备方法金刚石薄膜的制备方法主要分为两大类：基于低压CVD技术和基于高压CVD技术。

基于低压CVD技术中，使用的气体通常是甲烷和氢气的混合物，在真空条件下进行反应。

将这些气体通过高温反应炉，使得甲烷分解成纯碳离子。

碳离子被氢气还原后，随后沉积在准备好的表面上，形成一层金刚石薄膜。

而基于高压CVD技术，则是在准备好的基板中，使用气压较高的气体进行反应。

这种方法通常能够得到更厚的金刚石薄膜。

三、金刚石薄膜技术的应用金刚石薄膜技术的应用场景非常广泛，以下将介绍一些典型的应用场景和案例：1. 电子技术领域金刚石薄膜是一个重要的电学材料，在电子技术领域有着广泛的应用价值。

例如，金刚石薄膜是一种优秀的绝缘材料，可以用于制造高性能半导体元件、纳米晶体管和高功率器件。

2. 机械工业领域由于金刚石薄膜极其硬度极高和耐磨性能强，在机械工业领域也有着广泛的应用价值。

例如，在高速切削和精细加工方面，金刚石薄膜的应用能够明显提高加工效率和加工精度。

另外，金刚石薄膜也可以用于制造高强度、高硬度的刀具和轴承零部件。

3. 生命科学领域除此之外，金刚石薄膜技术在生命科学领域也有另外一些应用场景。

例如，金刚石薄膜可以被用作人工眼视网膜和人工髋关节等器官的材料。

• 5.医疗设备和器具：手术刀片，手术剪， 心脏瓣膜，人工关节，血管支架。 • 6.内燃机工业：燃料喷射系统（气门挺杆， 柱塞，喷油嘴），动力传动系统（齿轮 轴 承 凸轮轴），活塞部件（活塞环，活塞 销），门扣锁，内饰。 • 7.娱乐健身：扬声器振膜，移动硬盘，光 盘，高尔夫球具，自行车部件，剃须刀片。 • 8.光学：红外增透膜，减反射膜，玻璃镀 膜，镜片镀膜，亚克力镀膜，保护膜。 • 9.装饰镀膜：手机外壳，高档手表，室内 外五金卫浴产品，饰品。 • 10.航空航天 ：飞机，导弹整流罩镀膜， 卫星，太阳能电池镀膜。
激光法制备DLC膜的发展趋势
• DLC膜的沉积方法可分为物理沉积法和 化学沉积法两大类。化学沉积法已十分成 熟，但由于化学法沉积的DLC膜必然含氢， 导致膜层化学稳定性、热稳定性、硬度、 附着力较差。此外，化学法均需要在高温 下(>400oC)沉积，对于不耐高温的材料(如 玻璃、硫化锌等)无法在上面镀DLC膜；对 于耐高温的材料，虽然化学法可以镀膜， 但由于DLC膜热膨胀系数很小，和衬底热膨 胀系数差异大，沉积完成后，膜内部会产 生较大的热应力，甚至导致薄膜起皮、剥 落。因此，世界各国近年来都在积极开展 可以制备无氢DLC膜的物理沉积法研究。
我国类金刚石薄膜主要制备技 术及研究现状
汇报人：王培东 指导老师：胡鹏飞
主要内容
一、类金刚石薄膜介绍 二、类金刚石薄膜制备技术 三、类金刚石薄膜应用 四、类金刚石薄膜应用展望
一、类金刚石薄膜介绍
• 类金刚石薄膜(DiamondLike Carbon)是金刚石 的sp3杂化和石墨sp2杂 化两种结合键作为骨架 构成的非晶态碳膜，简 单地讲，由纳米级的金 刚石和碳混合形成，金 刚石占20%-80%。由sp3 结合的金刚石和sp2结合 的石墨与H(氢)组成的三 元相图右图：

纳米金刚石的表面修饰及应用的分析米金刚石是一种重要的碳纳米材料，具有超高的硬度、化学稳定性、生物相容性以及良好的热传导性和耐磨性，己在润滑、抛光、生物医学及复合材料等技术领域得到广泛应用。

纳米金刚石的生产方法主要有爆轰法和化学气相沉积法，前者由于用水或冰作冷却介质，故在所制得的金刚石的表面含有许多含氧基团;后者由于在制备过程中通入了大量氢气，因此，在所制得的金刚石表面覆有较多的氢原子。

纳米金刚石粒径在100nm以下，与其他纳米粒子一样，具有超高的比表面能，使粒子往往以团聚体的形式存在，仅依靠诸如超声法、球磨法等物理分散法不能达到很好的分散效果，严重影响了其在许多重要领域的应用。

因此，通过表面化学改性改善其分散性及使其表面功能化，对其应用起着至关重要的作用。

工业生产的纳米金刚石多数是通过爆轰法制得的。

高纯度纳米金刚石是由内部sp3结构碳核和外部石墨壳或悬键所构成的，它具有几乎完美的晶体结构。

纳米金刚石表面携带的含氧基团包括轻基、竣基、醚键、默基等，通过还原、氧化等反应可得到表面含氢、羧基或轻基等单一官能团的纳米金刚石，在此基础上，可进一步对其进行修饰。

另外，纳米金刚石还能与树脂、生物分子作用，可用于制备复合材料和具有生物特性的医用载体。

目前，国内外对纳米金刚石的表面修饰研究主要集中在表面键接官能团和吸附目标大分子上，通过提高纳米金刚石在介质中的分散性，而达到降低润滑摩擦系数、提高抛光器件精密度、增强药物运载能力及提高工程材料机械特性等目的。

1纳米金刚石表面的初级修饰纳米金刚石表面基团的种类较为丰富，为了提高功能基团接枝率、吸附率及纳米金刚石的应用效果，表面初级修饰是必不可少的，该过程是将纳米金刚石表面基团均一化。

1. 1纳米金刚石的氢化大多数还原剂仅能将纳米金刚石表面的含氧基团还原为轻基，表面氢化具有一定难度，但也能通过一些方法使纳米金刚石得到氢化表面。

将纳米金刚石与氢气在高温下反应，可直接在纳米金刚石表面形成碳氢键。

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。

大面积纳米金刚石薄膜的制备及场发射性能周文龙;张铭;宋雪梅;严辉【摘要】以CH4和H2为反应气，采用微波等离子体增强化学气相沉积方法在直径为10 cm的硅原片上制备纳米金刚石薄膜。

用X射线衍射仪、拉曼光谱、扫描电镜和原子力显微镜对薄膜的组成结构及性能进行表征。

结果表明：薄膜的平均晶粒尺寸约为13.8 nm，厚度可达10.8μm，表面粗糙度约为11.8 nm；其拉曼光谱是典型的纳米金刚石薄膜的特征峰峰形，同时在高真空条件下对所制备的薄膜样品进行场发射性能测试。

%Nanocrystalline diamond (NCD) films were synthesized on the silicon substrate with diameter of 10 cm by microwave plasma enhanced chemical vapour deposition using CH4 and H2 as the reactant gas. The film composition and performance were characterized by X-ray diffractometry, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and atomic force microscopy, respectively. The results show that, the average grain size of the film is about 13.8 nm, the maximum thickness can reach 10.8μm and the surface roughness is 11.8 nm. The Ram an spectrum is the typical characteristic peak shape of nanocrystalline diamond films, and the field emission properties were measured under high vacuum conditions.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】5页(P2844-2848)【关键词】纳米金刚石薄膜;拉曼图谱;表面粗糙度;场发射性能【作者】周文龙;张铭;宋雪梅;严辉【作者单位】北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124;北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124;北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124;北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TB43金刚石薄膜在微电子学、光学、微观结构的电子材料等方面有着很好的潜在应用价值，随着化学气相沉积技术的日益发展，采用各种不同的化学气相沉积方法沉积金刚石薄膜得到广泛的研究。

Abstract ： Nano-diamond possesses nat only excellent physicai and chemicei properties， but aGo the special properties at nano seals， such as great semiconductor property， biocompatibnita andproperty， which attracts the attention of researchers. Ths preparation， properties and applications of nano-diamond materiaG have been extensively studied. Additionaly，as reported， nano-diamond materiaG with dmerent morpholooies require dmerent preparation methods，and exhibit vvrious special properties and application fieGs. In this paper，the research pmcmss of nano-diamond materiaG with dCerent morpholocies is reviewed. First，the preparation methods of nano-diamond particles，films，diamond nanoplates and diamond nanowires are introduced. Then，the special properties of various nano-diamond materiaG in optics，electricita and mechanics are described. The applications of nano-diamond materiaG in civil， biomedical， military and other fields are summarized. Finaly，the development prospect of nano-diamond materiaG is prospected. Key words ：nano-diamond； Ouorescent coloe center； biomarkee； power device

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。

表面技术第53卷第8期DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望汤鑫1，王静静1*，李伟1，胡月1，鲁志斌2，张广安2（1.上海理工大学 材料与化学学院，上海 200093；2.中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，兰州 730000）摘要：类金刚石（DLC）薄膜是一种良好的固体润滑剂，能够有效延长机械零件、工具的使用寿命。

DLC 基纳米多层薄膜的设计是耐磨薄膜领域的一项研究热点，薄膜中不同组分层具备不同的物理化学性能组合，能从多个角度（如高温、硬度、润滑）进行设计来提升薄膜力学性能、摩擦学性能以及耐腐蚀性能等。

综述了DLC多层薄膜的设计目的与研究进展，以金属/DLC基纳米多层膜、金属氮化物/DLC基纳米多层膜、金属硫化物/DLC基纳米多层膜以及其他DLC基纳米多层膜为主，对早期研究成果及现在的研究方向进行了概述。

介绍了以上几种DLC基纳米多层膜的现有设计思路（形成纳米晶/非晶复合结构、软/硬交替沉积，诱导转移膜形成，实现非公度接触）。

随后对摩擦机理进行了分析总结：1）层与层间形成特殊过渡层，提高了结合力；2）软/硬的多层交替设计，可以抵抗应力松弛和裂纹偏转；3）高接触应力和催化作用下诱导DLC中的sp3向sp2转化，形成高度有序的转移膜，从而实现非公度接触。

最后对DLC基纳米多层膜的未来发展进行了展望。

关键词：DLC基纳米多层膜；力学性能；摩擦学性能；摩擦机理；结构中图分类号：TH117.1；TH142.2文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)08-0052-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.08.005Research Progress and Prospects on Tribological Propertiesof DLC Based Nano-multilayer FilmsTANG Xin1, WANG Jingjing1*, LI Wei1, HU Yue1, LU Zhibin2, ZHANG Guang'an2(1. School of Materials and Chemistry, Shanghai University of Technology, Shanghai 200093, China; 2. State Key Laboratory ofSolid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)ABSTRACT: Friction and wear can cause surface damage of materials, especially metal materials, and shorten the service life of work pieces. DLC (diamond-like carbon) is an amorphous carbon film composed of mixed structures, usually formed by the mixture of sp2 carbon and sp3 carbon. With high hardness, low friction coefficient, good chemical inertness and biocompatibility, DLC is a kind of film with great potential, which has a wide range of applications in mechanical, electrical, biomedical engineering and other fields. Its super-hard, wear-resistant and self-lubricating properties meet the technical requirements of the modern manufacturing industry. It is widely used as solid lubricant for the surfaces of contact parts that rub against each other.收稿日期：2023-05-08；修订日期：2023-10-12Received：2023-05-08；Revised：2023-10-12基金项目：中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放课题（LSL-2205）；上海高校青年教师培养资助计划Fund：Open Project of State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (LSL-2205); Shanghai University Youth Teacher Training Assistance Program引文格式：汤鑫, 王静静, 李伟, 等. DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望[J]. 表面技术, 2024, 53(8): 52-62.TANG Xin, WANG Jingjing, LI Wei, et al. Research Progress and Prospects on Tribological Properties of DLC Based Nano-multilayer Films[J]. Surface Technology, 2024, 53(8): 52-62.*通信作者（Corresponding author）第53卷第8期汤鑫，等：DLC基纳米多层膜摩擦学性能的研究进展与展望·53·Compared with single-layer DLC films with single component, DLC based nano-multilayer films with alternating layers of two or more components can improve the mechanical and tribological properties better, which is due to that different layers in the nano-multilayer films have different combinations of physical and chemical properties. Therefore, it can be designed from many aspects (such as high temperature, hardness, lubrication, and corrosion) to improve the mechanical properties, tribological properties and corrosion resistance of the films. Usually, the nano-multilayer films have good impact resistance and plastic deformation resistance ability, which can effectively inhibit the formation and propagation of cracks, and have a good cycle service life under high load conditions.In this paper, DLC based nano-multilayer films were systematically reviewed, including metal/DLC based nano-multilayer films, metal nitride/DLC based nano-multilayer films, metal sulfide/DLC based nano-multilayer films and other DLC based nanolayer films. Firstly, the design background and concept of DLC multilayer thin films were elaborated. The design idea of multilayer films was to form a gradient mixing interface between multilayers to achieve gradient changes in composition and properties. This multilayer structure could produce unique structural effects, which could effectively reduce various stresses generated during the friction process, and significantly improved the adhesion strength between film and substrate and the overall elastic modulus of the film, which had important significance for the structure evolution of DLC based nano-multilayer films and the interface action mechanism. Then, the friction mechanisms were summarized. The main friction mechanisms of DLC multilayer films were concluded as follows: 1) The nanocrystalline/amorphous structure was formed, which improved the binding force between the layers and reduced the shear force and friction force; 2) The soft/hard multilayer alternating design resisted stress relaxation and crack deflection; 3) Under the action of pressure, the amorphous carbon layer was induced to forma two-dimensional layered structure to achieve incommensurate contact and effectively reduce friction and wear. Finally, thefuture development of DLC-based nano-multilayer films was forecasted. To improve the tribological properties of DLC composite films under extreme, varied and complex conditions, it is necessary to carry out researches from multiple perspectives: 1) Establishing a multi-material system, which combines doping and multilayer gradient design; 2) Regulating the crystal growth rate and increasing the deposition rate and density of the films by multi-technology co-preparation;3) Establishing a more scientific model to study the friction mechanism of DLC.KEY WORDS: DLC based nano-multilayer films; mechanical properties; tribological properties; friction mechanism; structure摩擦磨损现象广泛存在于机械零件的直接接触中，如机械传动、齿轮咬合。

要 的评 述 。
２ 纳米金 刚石薄膜 的制备技术
普通金刚石 薄膜 的沉 积 方法 有 很 多种 ， 括 微 波 等离 子 包
Ｃ Ｄ法 （ Ｐ Ｖ ）热丝 Ｃ Ｄ法 （ Ｆ Ｖ ）直 流电弧法等等 ， Ｖ ＭＣＤ 、 Ｖ Ｈ ＣＤ 、 这
些方法也 同样应 用于纳 米金 刚石 薄膜 的制备 。然 而与 常规金
国内外 的纳米金 刚石膜制 备的研究状况做 了详细介绍 ， 并对纳 米金 刚石 薄膜 的应 用进行 了讨论。 关键词 纳 米金 刚石 薄膜 ；Ｃ Ｄ； Ｖ 制备和应用
中图 分 类 号 Ｔ １４ Ｑ ６ 文献标识码 Ａ
Ｐｒ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ａ ｏ ｒ ｓａ ｌ ｅ ｄ ａ ｏ ｄ ｆｌ ｅ ａ ａ ｉ ｎ ｐ ｌ ｔｏ ｆｎ ｎ ｃ ｙ ｔ ｌ ｎ ｉ ｍ ｎ ｍｓ ｏ ｃ ｉ ｉ
了许多研究成果。 ，
纳 米金刚石薄膜 的质量越高 。因此 ， 内外学 者往往通过采 国
用加负偏压 、 同预处 理方 法 以及 调整 沉积 工艺参 数 （ 不 气体成
分、 温度 、 ） 压力 等手段或是提高形核 密度或是 提高二次形 核率
或者多种方法联合使用来达到制备纳米金刚石薄膜 的 目的。
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｎ ｎ ｃ ｙ ｔｌ ｎ ｉｍｏ ｉ ｌ ；ＣＶ ｙ ｒｓ ａ ｏ ｒ ｓ ｌ ｅ ｄ ａ ｔ ｆ ｍｓ ａｉ ｄｉ Ｄ；ｐ ｅ ａ ａｉｎ ａ ｄ ａ ｐｉ ａｉｎ ｒｐ ｒ ｔ ｎ ｐ ｌ ｔ ｏ ｃ ｏ
１ 引言
国外对纳米金刚石 薄膜的研 究始 于 ９ Ｈ Ｄ年代 初期 ， 遍认 普 为是美 国阿贡实验室 的 Ｇｕｎ等人 开创 了纳 米金 刚石 的研究 ｒｅ 领域 。１９ ９４年 Ｇｕｎ领导的研究组采 用微波等 离子体 Ｃ Ｄ工 ｒｅ Ｖ 艺 ， 少量 Ｃ 将 曲引入 Ａ 等 离子体 气氛 中， ７ ０ Ｃ的硅衬 底上 ｒ 在 ５。 成功地获得了纳米金 刚石膜 ， 均晶 尺 寸仅 为 ５—１ｒ 平 ３ ｍ…。 ｉ

TECHNOLOGY INNOVATION |後术创新摘要：纳米金刚石是一类新型材料，金刚石的硬度非常大，金刚石结合纳米材料的特征，使得纳米金刚石在各行各业得到广泛的应用。

文章主要分析纳米金刚石的应用领域和相关问题，从而改善纳米金刚石的性能，使纳米金刚石可以更好地应用在各行各业。

关键词：纳米金刚石：应用：表面性能I纳米金刚石应用中的问题■文/陈龙江良才纳米金刚石的尺寸非常小，由1〜lOOnm的金刚石微粒构成，是一类新型材料。

纳米金刚石不仅具有金刚石硬度大、化学性稳定等特征，而且尺寸非常小，具有良好的量子尺寸效应。

纳米金刚石在各行各业得到广泛的应用，本文分析纳米金刚石的应用，并且分析纳米金刚石的相关问题，从而更好地改良纳米金刚石的性能。

1.纳米金刚石的应用领域与其他材料相比，纳米金刚石具有 硬度大和体积小等特征。

在机械、光电、研磨、增强等技术领域得到广泛的应用。

1. 1润滑技术领域为了使润滑油的性能得到改善，应 该在润滑油中加入各类添加剂，如分散 剂和抗氧化腐蚀剂就是常见的添加剂。

在传统的添加剂使用中，一般采用纳米 金属颗粒和纳米化合物颗粒，在润滑油 使用环节中各类添加剂的应用可以产生 良好的抗摩擦性能。

然而这些纳米颗粒 的尺寸比较大，在润滑油中的抗摩擦性 不能有效地呈现出来。

纳米金刚石的粒 径非常小，只有6 um,其具有良好的 纳米材料性能，可以均匀分布到润滑油 中，产生良好的抗摩擦效果。

在矿物润 滑油中加入3〜6 u m的纳米金刚石作为 添加剂，从而改良发动机油，改良后发 动机油具有良好的抗摩擦性能，摩擦系 数减少了 40%,发动机的功率提升了10%,有效地节省燃油量，润滑油也可 以节省1~4倍。

1.2研磨与抛光领域纳米金刚石可以应用在研磨和抛光领域，采用高纯度的纳米金刚石粉，将粒径降低到3 um,可以有效地减少材料表面的粗糙程度。

采用纳米金刚石粉制成研磨液或者研磨块，可以提升膜面的光洁度，在精细陶瓷集成电路芯片的制作中得到广泛的应用。

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。

纳米金刚石提纯技术研究进展
纳米金刚石是一种新型的纳米材料，具有优异的力学性能、导热性能和光学性能，被
认为是下一代功能材料的重要候选。

纳米金刚石的商业应用受限于其提纯技术，目前提纯
纳米金刚石的技术研究一直是学术界和工业界关注的热点之一。

纳米金刚石的制备方法主要包括化学气相沉积、高温高压合成和电化学析出等。

由于
纳米金刚石的制备过程中往往伴随着杂质的存在，因此提纯技术成为制约其商业化应用的
一个重要因素。

目前，国内外学者们在纳米金刚石提纯技术的研究方面取得了一系列进展，下面将结合具体的研究案例就纳米金刚石提纯技术的研究进展进行介绍。

化学气相沉积方法制备的纳米金刚石在提纯方面的研究。

化学气相沉积方法是制备纳
米金刚石的主要手段之一，其制备的纳米金刚石往往伴随着大量的杂质包裹在晶粒表面，
影响了其力学性能和光学性能。

为了解决这一问题，一些学者进行了相关研究并取得了一
定进展。

某研究团队利用化学气相沉积方法在金刚石基底上制备了纳米金刚石薄膜，并采
用高温氢气退火的方法进行提纯处理，最终使得纳米金刚石薄膜中的杂质得到了有效的去除，获得了高纯度的纳米金刚石薄膜。

纳米金刚石的提纯技术研究取得了一系列进展，不同的制备方法对应着不同的提纯挑
战和解决方案。

目前纳米金刚石提纯技术研究仍面临一些挑战，例如提纯方法复杂、提纯
效率低等。

未来的研究方向可以着重于提纯方法的简化和提纯效率的提高，以推动纳米金
刚石材料的商业化应用。

相信随着技术的不断进步，纳米金刚石的提纯技术将会迎来更大
的突破，为材料科学和工程技术的发展做出新的贡献。

拉曼光谱快速分析金刚石薄膜的性质在高能物理学上，一个微米厚或更薄的无定形炭薄膜片用来剥离高速运动的离子上的电子，以增加这些离子的电荷稳定性。

在离子束进入到回旋加速器中之前，离子上的电子被直线加速器中的无定形炭薄片剥离出来。

在质子束中，电子从H 原子或者H-离子中剥离出来。

在稀有同位素原子束中，电子从重原子如Ne、Xe、Kr，甚至U中剥离出来。

在离子束进入回旋加速器之前去掉这些电子，能够改善离子束带电状态和电荷分布，从而优化离子束能级。

随着离子束能量的增加，炭薄膜片的使用寿命将受到严重影响。

如果因薄片的损坏而停工，不仅会对大型、昂贵的设备造成极大的损失。

期间还要采取措施把射线对维修工人的辐射降到最低。

金刚石具有高导热、高强度、高稳定性、低蒸汽压等优良性能，是在这一应用领域替代无定形炭的一种理想产品。

CVD(化学气相沉积法)可以生产出包含sp2键炭和sp3键炭的不同厚度的金刚石薄膜。

早期的试验显示了金刚石作为电子的剥离器的优越性，但是仍然不清楚这种优点是由sp2键炭还是sp3键炭引起的。

拉曼光谱提供了一种快速检测sp2键炭和sp3键炭，并计算他们相对浓度的方法。

在1332 cm-1和1520 cm-1处的拉曼峰分别作为金刚石和石墨的标志。

通过比较这两个峰的强度，可以来比较金刚石和石墨的相对含量。

实验方法及结果把数控Nd:YAG激光器从标准硅片上切除下来的硅作为剥离电子薄片的基底。

然后在这块底片上沉淀结晶 1.5um厚的金刚石薄膜。

为了得到sp2键炭和sp3键炭相对含量不同的金刚石膜，可以在沉淀过程图1中通入的不同浓度比例的甲烷和氢气。

金刚石薄膜沉淀后，把1cm2的硅底刻蚀掉，留下的金刚石薄膜就像窗户一样悬挂在硅框上，如图1所示。

使用B&WTek 公司的iRaman system来测量金刚石薄片的拉曼光谱，激发波长为532nm 。

从光谱上读取拉曼峰的强度值，并计算强度比值的大小。

然后把金刚石薄片放在含有Sn-117 离子束的直线加速器中进行测试。

机械化工 ＤＯＩ：１０．１９３９２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１７３４１．２０１９０５１４８
科技风 ２０１９年 ２月
纳米范大学 北京 １００８７５
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
１．２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。 １．２．２掺氮对纳米金刚石的影响 掺氮会显著改变金刚石薄膜物理特性，目前对于纳米金刚 石薄膜掺氮的研究主要集中在对导电性的影响上。氮杂质使 金刚石多晶膜界面的化学状态改变，从而导致薄膜的能带结构 变化，导电性能提高，使金刚石薄膜导电和场发射性能更好。 １．２．３掺硼对纳米金刚石的影响 随着硼原子浓度的提高，纳米金刚石薄膜的表面粗糙程度 增加，晶粒尺寸 增 大。而 随 着 硼 源 浓 度 的 提 高，纳 米 金 刚 石 薄 膜的表面电导 性 能 呈 现 出 先 迅 速 提 高、再 逐 渐 趋 于 平 衡 的 趋 势。因此，要在保证纳米金刚石薄膜平整度变化不大的前提下 提高其的导电性能，需选择合适的硼源浓度。 ２纳米金刚石薄膜的应用 ２．１机械领域的应用 由于主体部分是结合强度极高的金刚石晶粒，纳米金刚石 薄膜具有很高的硬度和弹性模量。另外，其的优良物理特性还 包括粘附性能 较 高、表 面 平 滑 度 高 和 摩 擦 系 数 低 等。因 此，作

纳 米颗 粒 。其 中 ａＣ层 的厚度 和 Ｆ — ｅ的含量 通过 改 变激 光聚 焦烧 蚀石 墨靶 和 Ｆ 靶 的脉 冲数 来控 制 。相应 实验 ｅ
参数 如表 １ 示 。 所
用 Ｘ Ｓ ＴＥ 和拉 曼光 谱 方法分 析 样 品的组 成 成 分 和微 观 结 构 。Ｘ Ｓ分 析 用 ＶＧ Ｅ Ｃ ＡＢ ２ ０型 光 Ｐ ， Ｍ Ｐ Ｓ ＡＬ ５
嵌 埋浓 度 的 Ｆ ： Ｌ ｅ Ｄ Ｃ多 层纳 米复 合薄 膜 。Ｋｒ （ Ｆ 波长 ２ ８ｎ 脉 宽 ２ ｓ激 光 以 ４ 。 角交 替地 聚焦 在高 纯石 ４ ｍ， ０ｎ ） ５夹
墨靶 （９ ９ ５ ） Ｆ 靶 （ ９ ９ ） 面上 ， ９ ． ９ 和 ｅ ９ ． 靶 相继沉 积 ａＣ层 和 Ｆ 层 并 重 复 ９次 ， 后 覆 盖一 层 ａＣ以保 护 Ｆ — ｅ 然 － ｅ
备Ｆ： Ｌ ｅ Ｄ Ｃ复 合薄 膜 ， 研究 其微 观结 构 和 电学性 能 的工 作 较少 。Ｐ Ｄ 是 制备 Ｄ Ｃ薄膜 的一 种 有 效 的沉 积 并 Ｌ Ｌ 方法 ， 不需 要气 体分 压 、 衬底偏 压 、 高温 等辅 助手 段 ， 通过 实验 参数 如激 光 能量 密度 、 重复 频率 等 的调节 ， 以在 可 室温 下制备 出不含氢 的 高 ｓ。 量 的 四面体非 晶碳 薄 膜 （ａＣ） 其性 能接 近金 刚石 ［ 。 ｐ含 ｔ— ， ７ ］ 本 文采 用脉 冲激 光气 相沉 积方 法制 备不 同 Ｆ 嵌埋 浓度 的 Ｆ ： Ｃ纳 米 复合 薄 膜 ， ｅ ｅ ＤＬ 并且 利 用 ｘ 射线 光 电
子能谱 （ Ｐ ） 透射 电子显微 镜 （ Ｅ 、 曼 光谱 和 电流一 Ｘ Ｓ、 Ｔ Ｍ） 拉 电压 （－ 曲线研 究 薄膜 中的成分 以及 Ｆ 嵌 埋 浓度 Ｉ Ｖ） ｅ

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。