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影响人造钻石(CVD金刚石)合成的主要因素

(2012-03-14 09:20:04)
标签:

钻石

金刚石

人造

化学相沉积

cvd

文化

分类: 科普知识

 

    这里所讲的制备方法是CVD法,也就是化学气相沉积法,是利用含碳气源(一般为甲烷+氢气)作为原料,通过一定的能量输入(微波、热丝、直流等),在一定的压强下产生出等离子体,在这个等离子体中使含碳气体分解,使碳氢键断裂形成金刚石结构中的碳碳键,并不断的结合,使其“长大”,这一合成金刚石的方法合成速率快(较高温高压法),质量高(杂质可以避免),容易控制(通过对工艺参数的调控可以做不同晶面、不同种类的金刚石)。

      CVD的方法也根据提供能量的方式不同也进行了划分,通过微波形式的输入能量称为“微波等离子体化学气相沉积”其英文缩写为MPCVD;而通过对热丝(通常为Ta丝)两边进行加高压,通过加热热丝提供能量的方式称为“热丝化学气相沉积”简称HFCVD;还有一种是通过对阴极和阳极施加直流电压,气体受热后有阳极嘴高速喷射出来形成等离子射流,此以射流的形式加热方式为“直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法”简称为DC-CVD。三者之间最有前景的是微波CVD法,其制备的金刚石纯度高,质量好,国外的APOLLO公司已经利用其制备人造钻石,性能与天然金刚石媲美,甚至优于天然金刚石。

      

而CVD法制备的过程中有几个关键的参数影响着制备的金刚石的质量,以下一一分析:

 

1. 衬底材料(或基底材料):金刚石薄膜的制备过程中通常需要在其他材料上进行沉积,最普遍的应用就是涂层刀具。基底材料的选择会影响金刚石的附着力、密度以及沉积质量。通常选择时需要考虑其基底元素能否与碳结合形成碳化物(比如TiC、ZrC、MoC、WC、SiC等)这些物质能够与碳首先很好的结合,这也为金刚石的沉积过程提供了更多的结合点,从而更容易形成金刚石。其次就是要考虑基底材料的热膨胀系数,即受热膨胀率,CVD制备金刚石通常要在750-900摄氏度,而在如此高的温度下金刚石能够与基底之间有很好的结合,但是实验结束后降至室温时,由于材料“热胀冷缩”的性质,薄膜与基底材料之间的热膨胀性有所差异,将会导致龟裂,因此,必须保证基底材料与金刚石的热膨胀系数相同或接近,这样冷切的过程中不至于差异太大而使薄膜裂开或脱落。

 

2.基片的预处理:这是制备金刚石之前必须经历的过程,基底材料上通常有油脂、铁锈或者其他杂质元素,阻碍了金刚石与基底之间的直接接触,直接影响到金刚石的质量和与基底之间的结合力。

 

3.温度:这是该工艺的一个重要参数,因为沉积温度直接影响了金刚石的生长速率,在一定的温度范围内,温度的与生长速率是成正比的,但是高过或低于这个温度范围时,就会形成碳的同素异形体如石墨、无定形碳,通常最为常用的温度范围在750-900摄氏度.

 

4.碳源和氢气:这是制备金刚石的原材料,在制备过程中对两者流量的控制也是非常重要的,碳源供给量的多少直接影响着金刚石的生长状况,也决定着金刚石各个晶面的生长情况(111晶面100晶面在相同的碳浓度下生长速率是不一样的)。而氢气则具有更为重要的作用,氢气的存在能够对生长过程中形成的石墨和非金刚石相进行刻蚀,保证着金刚石的纯度,而氢气的流量也是需要一个适宜的范围,过少的氢气会造成刻蚀不完全,而过多的氢气会将刻蚀金刚石(氢气对金刚石也有刻蚀作用,只是没有那么明显),因此,各种因素的产生时刻影响着金刚石生长的过程。

 

5. 工作压强:实验需要在真空环境下生长的,所涉及到的化学反应都是字啊分子和原子之间进行的,因此压强的大小直接决定了分子的自由程,这对所发生的化学反应的快慢有着很大的影响,涉及到不断电离和不断结合的过程,适宜的工作压强是稳定高速生长的保证。

 

       这些参数并不是独立的进行改变的,它们相互关联,共同影响着金刚石的生长过程。这些都是看书过程中积累的读书笔记,后面多做补充!

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