几种CVD制备金刚石薄膜的方法.

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。

我国类金刚石薄膜主要制备技术及研究现状摘要类金刚石薄膜具有优良的光学、机械和电特性在军事领域有广泛用途，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℃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。

由于类金刚石结构、性能存在一些缺陷，所以对此作了研究。

本文着重对类金刚石薄膜制备技术进行阐述，同时论述了发展潜力。

由于类金刚石薄膜的优越性，所以我国要加大这方面发展。

关键词：类金刚石薄膜，化学气相沉积法，物理沉积法，金刚石The Main Preparation Techniques and Research Status of theDLC Film in ChinaABSTRACTDLC films with excellent optical, mechanical and electrical characteristics ha ve a wide range of applications in the military field. DLC thin film technology, refers to the use of a variety of optical thin film production technology made close to the natural diamond and synthetic single crystal diamond characteristics (such as with high light transmittance in the wide spectrum-in the range of 2~15μm (microns) low absorption of light to 1%; has high hardness and good thermal conductivity, corrosion resistance and high chemical stability -1000°C (degrees Celsius) above maintained its chemical stability, etc.), artificial polycrystalline diamond films DLC films (also known as the hard carbon film,ion carbon film ,or a transparent carbon film), a technology. DLC structure, the performance has some shortcomings,have been investigated. Focus on the DLC film preparation technique is described,and discusses the potential for development. Because of the superiority the DLC films, so china should step up development in this field.KEY WORDS: DLC film，preparation techniques，CVD目录前言 (1)第1章类金刚石薄膜概述 (2)1.1 类金刚石薄膜介绍 (2)1.1.1类金刚石薄膜发展介绍 (3)1.1.2类金刚石薄膜微观结构与其性质 (3)1.1.3类金刚石薄膜分类 (5)第2章类金刚石薄膜制备技术 (6)2.1 化学气相沉积法 (6)2.1.1 热丝CVD法 (6)2.1.2 等离子体CVD法 (7)2.1.3 离子束蒸镀法 (7)2.1.4 光、激光CVD法 (7)2.2 激光法制备DLC膜的发展趋势 (8)2.2.1 激光脉冲宽度由纳秒脉冲向超短脉冲发展 (9)2.2.2 沉积环境由真空向氢气氛或氧气氛发展 (10)2.2.3 薄膜成分由纯DLC膜向掺杂DLC膜发展 (11)2.2.4 激光源由单一激光向多束激光发展 (11)第3章类金刚石薄膜研究 (12)3.1 实验研究 (12)3.1.1 实验装置 (13)3.1.2 实验过程 (15)3.1.3 实验结论 (15)第4章类金刚石薄膜应用以及展望 (16)4.1 类金刚石薄膜应用 (16)4.2 类金刚石薄膜应用展望.................... 1错误！未定义书签。

cvd人造金刚石生产工艺流程英文回答：CVD (Chemical Vapor Deposition) is a widely used method for the production of synthetic diamonds. This process involves the deposition of carbon atoms onto a substrate to form a diamond film. The CVD method offers several advantages over other diamond synthesis techniques, such as high purity, control over diamond quality, and the abilityto produce large and complex diamond shapes.The CVD process begins with a diamond seed or substrate, which acts as a template for the growth of the synthetic diamond. The substrate is placed in a reaction chamber, which is then filled with a mixture of gases. These gases typically include a carbon-containing gas, such as methane, and a hydrogen gas.Next, the reaction chamber is heated to a high temperature, typically around 800-1000 degrees Celsius.This temperature is necessary to activate the chemical reactions that will deposit carbon atoms onto the substrate. As the gases are heated, they break down and release carbon atoms.The carbon atoms then migrate to the surface of the substrate and arrange themselves in a diamond lattice structure. This process is facilitated by the presence of hydrogen gas, which acts as a carrier gas and helpstransport the carbon atoms to the substrate. The hydrogen gas also helps to remove any impurities that may be present during the diamond growth.The growth of the diamond film continues as long as the reaction conditions are maintained. This can take several hours or even days, depending on the desired thickness of the diamond film. During this time, the temperature, gasflow rates, and other parameters are carefully controlledto ensure the growth of high-quality diamonds.Once the desired thickness is achieved, the diamondfilm is cooled down and removed from the reaction chamber.It is then subjected to various post-growth treatments,such as polishing, cutting, and cleaning, to obtain thefinal synthetic diamond product.中文回答：CVD（化学气相沉积）是一种广泛应用于人造金刚石生产的方法。

CVD 金刚石膜生长物理系 09804001 齐霁【实验目的】了解低压化学气相沉积（CVD ）金刚石膜的基本原理与方法。

【实验原理】（一） 实验装置如下图所示（二） 化学气相沉积金刚石膜最关键处是要碳源和原子氢。

从相图可知，在气相沉积金刚石膜这个动态平衡中，非高压下金刚石是亚稳相，而石墨是稳定相。

只有在压力高于几万个大气压时，金刚石才变成稳定相，而石墨成为稳定相，在非高压下石墨生长速率远高于金刚石，从而抑制了金刚石的进一步生长。

Augus 等人的研究表明，原子氢对石墨的蚀刻率比对金刚石的高2－3个量级。

利用非平衡反应能够在非高温高压条件下生成金刚石的。

热丝法金刚石的气相沉积主要经历以下四个过程。

1．4CH -2H 混合物的活化，由热丝提供；2．活化的气体疏运到样品表面；3．在衬底上同时沉积含有2sp键和3sp 键的碳； 4．原子氢蚀刻共生的2sp 的碳。

原子氢在生长的过程中不仅对石墨起了蚀刻作用，而且很容易与其余的剩余气体反应，生成对沉积有用的气相基团。

金刚石晶体中碳原子成严格的四面体结构，表层碳原子将有一个轨道未成键。

在真空中，这些轨道互相重叠，形成与石墨相似的 键。

特别是（111）面上的碳原子六角型结构将发生重构。

变得更为类似石墨的层状结构。

通常金刚石将沿该面生长，于是金刚石不但有了很大的表面能，不利于上面成键各种物质；而且在化学气相成键金刚石薄膜过程中由于以生长的金刚石表面更接近于石墨结构，在上面将有利于石墨的生长，从而导致沉积失败。

而引入原子氢之后，由于C －H 键能大于C －C 键能，因而原子氢吸附在表面，当原子氢饱和了表面所有悬键之后，金刚石的结构在表面得以保持，减少了石墨生长和成核。

归纳起来，原子氢的作用有：1． 优先蚀刻石墨，造成有利于金刚石生长的动力学优势；2． H 吸附在金刚石表面使碳维持3sp 结构；3． 减少金刚石临界形核尺寸；4． 与气相中的碳氢化合物反应，并产生有利于金刚石生长的基团；5． 萃取吸附在金刚石表面的氢原子，产生局部活性位，而不致于引起表面重构，使碳氢基团能吸附上去，并形成金刚石结构。

CVD 制备石墨烯：1、采用方法的原理：以甲烷作为碳源，以铂作为生长基底。

通入H2将有缺陷的核刻蚀掉，降低石墨烯的密度。

由于石墨烯的生长和刻蚀过程是可逆的，所以经过生长刻蚀，再生长再刻蚀再生长（反复生长刻蚀生长）的方法制备出高产量，无缺陷的单晶石墨烯。

2、典型过程：将180um厚，10mm*20mm的铂箔首先用丙酮和酒精分别冲洗1h，然后放入熔融石英管中。

适应管中通入体积流为700摩尔每分的H2。

退火十分钟后将残留的碳和有机物移除。

生长从通入甲烷并维持一段时间后开始，在CVD生长后将甲烷的流速降低，其他参量保持不变来促使刻蚀石墨烯的过程发生。

在刻蚀了一段时间后，增加甲烷的流速使石墨烯生长。

随着生长刻蚀次数的增加逐渐减少甲烷的流速。

经过三轮的刻蚀生长，大约3mm的单晶石墨烯就生成了。

反应停止后将铂箔迅速从高温环境中取出，关火，在温度降到800度以下后停止通甲烷。

3、设备示意图Scheme depicting the G_rE_RG process. (a) CVD growth of graphene domains on a substrate. (b) Hydrogen etching to reduce domain density. (c) Regrowth of the etched graphene domains. (d) New nuclei appear on the substrate during regrowth. (e) Hydrogen etching to remove the new nuclei generated during regrowth. (f) Large-size single-crystal graphene domains obtained by the G_rE_RG method. (g) Schematic of the G_rE_RG process used for fabricating ∼3 mm single-crystal graphene domains, with the flow rates of CH4 and H2 used. The reaction temperature was 1060℃ during the whole process. The error bars show the size range of the single-crystal graphene domains obtained under the same conditions, and the blue dots in the middle of the error bars represent the average size of graphene domains.4、产物的形貌或性能用这种方法在铂衬底上制备出了大约3mm的单晶石墨烯，在常温常压下载流子迁移率达到了大约13 000 cm2 V-1 s-1。

金刚石的人工合成摘要：简要介绍了常见的人工合成金刚石技术，以及合成过程中的一些影响因素。

关键词：金刚石人工合成合成工艺影响因素前言金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产,在国民经济中具有重要的作用。

为满足工业上的需求和缓解金刚石日益匮乏的现状,人类已经在合成金刚石方面作了许多的探索,并取得了许多有实用价值的阶段性成果。

金刚石中宝石级金刚石因其折射率大,在光下有火彩现象而用来制作精美的首饰。

人造金刚石具有诸多优异特性,已被广泛地应用于工业、科技、国防、医疗卫生等很多领域。

例如:利用金刚石硬度大制作精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头、拉丝模,还被作为很多精密仪器的部件;由于导热率高、电绝缘性好,可作为半导体装置的散热板。

因此,人造金刚石被誉为“21世纪的战略性材料”。

因此对于人造金刚石的合成的研究具有非常重要的意义[1].金刚石的人工合成工艺金刚石、石墨及无定型碳都是由纯碳元素组成，合成钻石就是人为地模拟天然钻石的形成条件，将其他晶体结构的碳质材料在一定条件下转化为具有SP3 共价键的金刚石型晶体结构。

从理论上讲，各种形式的碳均可以转化为金刚石，但研究表明，不同的碳素材料对生长金刚石的数量、质量和颗粒大小均有相当大的影响，石墨转化为金刚石的自由能较低，因此石墨是合成钻石的最主要原料之一。

目前，人类已掌握了多种合成钻石方法。

人造金刚石的合成技术形成了静态高温高压法、动态超高压高温合成法、低压气相沉积法等[2]。

一般石墨在10GPa、3000℃左右可以转变成金刚石，如果加有金属触媒则所需要的条件将大为降低，通常在压力约为5．4GPa和温度约为1400℃的条件下就能发生转化。

常用的方法为合成条件较低的添加触媒催化的高温高压合成，即静态高温高压法。

这种方法中有生长磨料级金同q石(粒径小于1B)的膜生长法和合成宝石级金刚石(粒径大于lmm)的温度梯度法。

(1)膜生长法(FGM)金刚石膜生长法就是指在有金属触媒的参与下，石墨通过高温高压的作用透过金属膜沉积在金刚石核上使之长大[3]。