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金刚石薄膜
(DIAMOND THIN FILMS)

  金刚石在所有已知物质中具有最高的硬度,室温下有最高的热导率,对光线而言从远红外区到深紫外区完全透明,有最低的可压缩性,极佳的化学惰性,其生物兼容性超过了钛合金等等。然而由于天然金刚石数量稀少,价格昂贵,尺寸有限等因素,人们很难利用金刚石的上述优异的性能。根据天然金刚石存在的事实以及热力学数据,人们一直想通过碳的另一同素异形体--石墨来合成金刚石。但由于金刚石与石墨之间存在着巨大的能量势垒,要将石墨转化为金刚石,必须使用高温高压技术来人工合成,使得人工高温高压合成的金刚石价格昂贵。20世纪80年代初开发的化学气相沉积(CVD)制备的金刚石薄膜,不仅成本低,质量高,而且可大面积制备,使人们大规模应用金刚石优异性质的愿望,通过CVD法合成金刚石薄膜得以实现。

合成
 

CVD合成金刚石薄膜的装置已经开发出许多种,但都有一共同特性,即稀释在过量氢气中的低分子碳烃气体,在一定能量(热能或电磁能)的激发作用下产生等离子体,通过适宜的沉积工艺在基片上沉积出金刚石薄膜。常用的方法有热丝法、微波法、等离子体炬和燃烧火焰法等。热丝法是利用高温金属丝激发等离子体,装置简单,使用比较方便。但由于金属丝的高温蒸发会将杂质引入金刚石膜中,因此该方法不能制备高纯度的金刚石膜;微波法是利用微波的能量激发等离子体,具有能量利用效率高的优点。同时由于无电极放电,等离子体纯净,是目前高质量、高速率、大面积制备金刚石膜的首选方法;等离子体炬是利用电弧放电产生等离子体,制备的金刚石膜质量高。但由于电弧面积的限制,金刚石膜的面积较小;同时由于电弧点燃及熄灭的热冲击,对金刚石膜的附着力影响很大,设备的磨损大,反应气体的消耗也高;燃烧火焰法是利用乙炔在氧气中燃烧产生的高温激发等离子体,可以在常压下工作,也存在着金刚石膜沉积面积小,不均匀等问题。

CVD法制备金刚石膜的机理目前还没有完全了解,但原子氢在金刚石膜生长过程中起着重要的作用这一点已经得到确认:原子氢能稳定具有金刚石结构的碳而将石墨结构的碳刻蚀掉。由于CVD中等离子体的高度离子化作用,只要C、H、O三者比例在一定的范围区域内(Bachmann 三角相图),在合适的沉积条件下即使是不同的反应前驱物,都能得到金刚石膜。调节不同的沉积参数,可以有选择性地生长不同晶形的金刚石膜,满足不同应用领域对金刚石的需要。

应用
 

CVD法大大降低了金刚石的生产成本,同时CVD金刚石薄膜的品质逐渐赶上甚至在一些方面超过天然金刚石,使得金刚石薄膜广泛用于工业的许多领域:

(1) 工具领域:随着科技的发展,需要大量加工和使用轻量化、高强度的材料,用具有最高硬度的金刚石制成的刀具所显示出来的长寿命、高加工精度、高加工质量等优越性是十分显著的,而将金刚石薄膜直接沉积在刀具表面不仅价格大大低于聚晶金刚石刀具,而且可以制备出具有复杂几何形状的金刚石涂膜刀具,在加工非铁系材料领域具有广阔的应用前景。

(2) 热沉领域:金刚石在室温下具有最高的热导率,是铜、银的5倍,又是良好的绝缘体,因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电子器件的理想散热材料。

(3) 光学应用领域:金刚石从真空紫外光波段到远红外光波段对光线是完全透明的,因此金刚石是最好的光学材料。金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好,在军事上可用作红外光学窗口和透镜的保护性涂层。在民用方面可用作在恶劣环境(如冶金,化工等)下工作的红外在线监测和控制仪器的光学元件涂层。

(4) 电子学应用领域:金刚石与现有半导体材料相比,具有最低的介电常数,最高的禁带宽度,很高的电子及空穴迁移率和最高的热导率。它有可能制备微波甚至于毫米波段超高速计算机芯片,高电压高速开关及固体功率放大器,工作温度可达600℃。金刚石制备电子器件的应用已取得了初步的结果,如金刚石薄膜发光管、金刚石薄膜场效应管、金刚石薄膜热敏电阻等。同时成功地对金刚石膜进行P型掺杂,对N型掺杂也取得了一定的进步。

存在的问题
 

金刚石薄膜异质外延生长的机理,低温沉积金刚石薄膜、以及提高金刚石的生长速度、降低生产成本等是今后所需解决的问题。

有人预言:21世纪将是金刚石的时代。

  
满卫东

From 新型炭材料