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金刚石薄膜的发展、制备及应用

2009-06-09

金刚石又名钻石,除了其绚丽的色彩受到人们的珍视 到 1982年,日本科学家 Matsumoto和 Sato等使用热丝化学
外,其所具有独特的、的优异物理和化学性能(如 气相沉积(HFCVD)法在0.001~0.010MPa的低压下用CH4
机械特性、热学特性、光学特性、纵波声速、半导体特性及 和 H2 的混合气体成功地合成了金刚石薄膜,并且利用
化学惰性等)也备受人们的关注。这些性质在自然界所有的 CVD 技术合成的金刚石薄膜物理性质和天然金刚石基本相
材料中均是的,比如:金刚石的硬度是自然界中zui 同或相近,它们的化学性质则完全相同,这使得金刚石的应
高的;热传导率也为已知材料中zui高的(室温下为硅的 15 用领域进一步扩大。这一技术的成功让人们再次看到广泛应
倍、铜的5倍);高绝缘性和从红外到紫外的极宽透光性等。 用金刚石的曙光,从而掀起了一个研究金刚石薄膜的热潮。
但是由于天然金刚石在自然界中的含量极少,而且价格昂
1   金刚石薄膜制备方法及其原理
贵,不可能把大量的金刚石用于工业用途上,因而人们的研
究兴趣很快转移到人工合成金刚石上来。早在 18 世纪末人 金刚石的合成方法从50年代的高温高压(HTHP)到80
们就通过使金刚石燃烧的办法知道了金刚石是由碳组成,即 年代初日本科学家使用的CVD,再到今天的多种合成方
金刚石是石墨的同素异形体,因此人们就开始试图通过石墨 法,在这将近半个世纪的时间里金刚石薄膜的制备工艺有了
来合成金刚石。  长足的发展。目前较成熟且有发展前途的方法有:热丝CVD
随后,美国和俄罗斯科学家在近代热力学的指导下制造 法(HFCVD)、燃烧火焰沉积法(Flame deposition)、直流电
金刚石。在1955年,Berman和Simon发表了金刚石和石墨 弧等离子喷射 CVD法(DAPCVD)、微波等离子体 CVD 法
处于平衡态时的高温和高压线,指出在金刚石和石墨的平衡 (WMPCVD)、激光辅助 CVD 法(LACVD)。下面介绍常
线上方金刚石是稳定的,在平衡线下方石墨是稳定的;金刚 见的几种制备方法及其制备原理:
[1,2]
石和石墨的表面自由能之差为 2090J/mol,暗示了在高温高 (1)热丝 CVD 法(HFCVD) 。此方法是热分解法
压平衡线附近,在催化剂的作用下,过饱和的碳可能凝结为 合成金刚石薄膜的发展,zui早是在 1982 年由日本科学家
亚稳态的金刚石。同年,美国的General Electric公司成功地 Matsumoto和Sato等提出的。该方法虽提出较早,但目前使
合成了金刚石。他们把碳溶解在金属(过渡金属,如镍、铁、 用仍非常普遍,并且已经发展成沉积金刚石薄膜较为成熟的
锰等)催化剂的溶液里,在 2000℃、5.5GPa 条件下,通过 方法之一。这种方法的基本原理是靠在衬底上方设置金属热
使过饱和碳结晶而形成金刚石。但是由于高温高压合成的金 丝(如钨、钽丝等)高温(2000~2200℃)加热分解含碳的
刚石呈粉末状,生成颗粒较小且成本高,使得人工合成金刚 气体,形成活性粒子在原子氢的作用下在衬底(保持在700~
石在实际中的应用受到很大的限制。  1000℃)上沉积而形成金刚石。此方法简单易行,缺点就是
20 世纪 60 年代,人们认识到在碳氢化合物热解过程产 沉积速率较慢(V<10?m/h,不均匀,工艺稳定性差,易污
生的原子氢能够促进金刚石的形成,70年代中期,苏联科学 染。zui近还提出两种改良的HFCVD模型:反应气体分送的
[3]
家观察到原子氢能促进金刚石的形成和阻止石墨的共生。直 HFCVD 法 (碳源气体和氢气由热丝的下方和上方分别送

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