纳米金刚石薄膜的研究概况武汉工程大学校友网

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1、59工程信息交流 2012年第2期 总165期专题综述纳米金刚石薄膜的研究概况吴建鹏，马志斌，湛玉龙（武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，湖北 武汉 430073）摘要：纳米金刚石收稿日期：2012.4基金项目：国家自然科学基金项目（10875093）作者简介：吴建鹏（1987-），男，湖北武汉人，硕士研究生。研究方向：等离子体技术与薄膜材料；WJP_STC168163.COM通讯作者：马志斌，男，教授，博士生导师，主要研究方向为低温等离子体技术及其应用；mazb薄膜的优异性能使其制备与应用成为CVD金刚石薄膜研究领域的新热点。本文综述了近几年国内外纳米金刚石

2、薄膜的研究状况，概述了当前纳米金刚石薄膜研究中的难点及解决方法，从纳米金刚石薄膜常用制备技术、表征方法和研究热点等方面分析了国内外的最新研究成果，并对纳米金刚石薄膜的应用前景作了展望。关键词：纳米金刚石；等离子体化学气相沉积；表征 中图分类号： O 484.1 文献标识码： A引言金刚石是具有优异的力学、电学、热学、声学和化学性能于一体的材料，是目前世界上已知的最坚硬的物质，它耐磨性能极好，杨氏模量最大、摩尔密度最大、传声速度最快、热导率最高；具有耐腐蚀、抗辐射、耐高温、化学惰性等优点1-3。但是由于金刚石薄膜晶粒较大（一般在几微米到几十微米），使得它表面粗糙，严重影响了它在电子器件、光学仪器

3、及机械制造方面的应用4。随着CVD沉积金刚石薄膜技术的发展与成熟，纳米金刚石薄膜制备技术应运而生。纳米金刚石薄膜晶粒非常细小，可达710nm5,6，甚至更小（26nm7）；其表面光滑，薄膜摩擦系数很小，可达0.038，而且纳米金刚石薄膜的硬度比传统金刚石薄膜低10%20%，因而非常有利于薄膜的后续抛光；同时，由于纳米金刚石薄膜具有纳米颗粒的尺寸效应、表面效应、量子效应和界面效应等，使其在力学，电学，光学等方面出现了常规材料不具备的性能9。纳米金刚石薄膜的优异性能使其制备与应用成为CVD金刚石薄膜研究领域的新热点。本文综述了近几年国内外纳米金刚石薄膜的研究状况，介绍了纳米金刚石薄膜常用制备技术、

4、表征方法和研究热点，并对纳米金刚石薄膜的应用前景作了展望。1 纳米金刚石薄膜的研究现状 国外对纳米金刚石薄膜的研究始于上世纪90年代初期，最初其合成采用了微波等离子体沉积装置，在CH4/H2/O2气氛下，将衬底温度控制在450以下，沉积得到薄膜晶粒粒度约为30nm，表面粗糙度为5-20nm的纳米金刚石薄膜10。但直到1997年后，随着纳米技术研究热潮的出现以及金刚石薄膜沉积技术的成熟，纳米金刚石薄膜的制备、特性和应用研究才逐渐成为热点，许多学者投身于该领域研究，并取得了许多成果。Sobia Allah Rakha等11用HFCVD法用Ar/N2/CH4作为气源在硅基体上制备出质量较好的纳米金刚

5、石薄膜；M.J. Chiang等在电子回旋共振MPCVD装置上以甲烷和氢气的混合物作为反应气体在硅片上成功沉积出晶粒大小为50-100nm的纳米金刚石薄膜12；C.J. Tang等用MPCVD装置在功率为2kW到3.2kW范围内以CH4/H2/N2/O2作为气源沉积出平均尺寸为60nm的金刚石薄膜13。纳米金刚石薄膜的研究概况近年来，纳米金刚石薄膜的研究也引起了我国学者的兴趣，丰杰等14采用HFCVD法研究了CH4/H2体系下不同加热结构对纳米金刚石薄膜组成及形貌的影响。结果表明：采用双层丝加热，可使颗粒尺寸及表面粗糙度控制在12nm左右，并具有更低摩擦系数和更好的耐磨性；相炳坤等15利用直流

6、电弧等离子体喷射法沉积装置在底径65mm高5mm的Mo球面衬底上成功制备出纳米金刚石薄膜；姜宏伟等16采用直流热阴极PCVD技术，经过生长温度的周期性调整，达到清除多余游离碳和刻蚀非金刚石相的目的，实现了在高甲烷浓度条件下制备纳米金刚石膜；王延平等17以Ar、CH4和CO2为反应气源，以三聚氰胺的甲醇饱和溶液为掺杂源，用微波等离子体化学气相沉积法在单晶硅基体上制备了掺氮纳米金刚石薄膜。从目前情况来看，国内外对纳米金刚石薄膜的研究处于基础性研究阶段，主要研究纳米金刚石的形核、沉积机理，薄膜性能和结构的表征及分析，还有很多难题需解决，如纳米金刚石薄膜的沉积工艺还需深入研究，二次形核率还有待提高，沉

7、积效率有待提高，沉积薄膜的面积和厚度比较有限，薄膜质量也有待进一步提高。2纳米金刚石薄膜的常用制备方法纳米金刚石薄膜的制备方法很多，国内外利用微波等离子体CVD（MPCVD）、电子回旋共振CVD（ECR-CVD）、热丝CVD(HFCVD)、直流电弧以及炸药炮轰法等都能制备出质量较好的纳米金刚石薄膜。下面介绍了几种较常用的制备方法：2.1 HFCVD法HFCVD法主要是利用设置在衬底附近的金属热丝将碳氢化合物气体高温热分解，产生具有合成金刚石必须的SP3杂化轨道的碳基团和原子态氢，两者之间及它们与衬底之间相互作用，在衬底表面形成纳米金刚石薄膜。Shibing Tian等18使用HFCVD法以CH

8、4与H2为气源制备出厚度为500nm的纳米金刚石薄膜，并研究了CH4浓度对沉积的纳米金刚石薄膜的影响。结果表明：当甲烷浓度升到20%时制备出的纳米金刚石薄膜平均粗糙度为18nm。HFCVD法制备纳米金刚石薄膜关键是如何提高二次形核率，减少膜中金属热丝的污染。该方法未来的研究主要集中在如何提高纳米金刚石薄膜的质量，使制备出的薄膜更致密更均匀。2.2 MPCVD法微波等离子体CVD法（MPCVD）工作原理是利用波导和天线将微波能量传输到反应腔体中，腔体内的气体被传输过来的微波能量激发而形成等离子体，产生能够沉积金刚石薄膜的各种基团。Chii-Ruey Lin等19使用MPCVD法在Ar/CH4/H

9、2气氛中制备出纳米颗粒为3-8nm的超纳米金刚石薄膜，并研究了Ar浓度（0%-90%）对薄膜的影响。结果表明：随着Ar浓度的增加，晶粒尺寸、表面粗糙度、SP3碳浓度降低。虽然一般MPCVD法沉积速率较低，但近年来，可在高气压下工作的高功率微波等离子体CVD金刚石系统的出现，不仅提高纳米金刚石薄膜质量，而且可沉积高质量光学级金刚石膜，是目前高速率高质量制备纳米金刚石薄膜的常用方法。2.3 直流电弧等离子体喷射CVD法直流电弧等离子体喷射法是在杆状阴极和环状阳极之间施加直流电压，使通入的气体在阳极嘴被高温离化，并被高速喷射至基片上，形核并生长纳米金刚石薄膜。Hak-Joo等20使用直流电弧等离子体

10、喷射法在硅片上成功制备出平均晶粒颗粒为5nm纳米金刚石薄膜，其沉积气体为H2/CH4/N2(所占比例96.7%/3%/0.3%)。并研究了阴极温度在600到850范围内，随着温度的升高纳米金刚石薄膜致密度越大，阴极的碳污染越少。直流电弧等离子体喷射法制备纳米金刚石速率较快，但其制备出的纳米金刚石薄膜质量不是很高。3 纳米金刚石薄膜的表征方法 与普通金刚石薄膜相比，纳米金刚石薄膜晶粒非常细小，为几个到几十个纳米，所以寻找合适的表征手段来鉴定纳米金刚石薄膜的表面形貌和结构等就尤为重要。常用的表征方法包括：3.1 X射线衍射分析X射线衍射（XRD）是研究晶体结构及其变化规律的主要手段，通过XRD谱图

11、可确定晶体结构、计算晶格常数、研究多晶薄膜材料晶粒生长取向等等，是表征纳米金刚石薄膜常用方法。图121显示出用MPCVD法在Cu基体上不同甲烷浓度时生长的金刚石薄膜的X射线图谱。样品出现了四个峰，其中2=50.559和74.278左右为Cu的衍射峰，衍射角2=43.9、75.4对应金刚石的（111）面和（220）面。有研究表明22，（220）面的衍射峰为纳米金刚石所具有的特征峰，当甲烷浓度为1.2%和2%时，（220）面衍射峰不明显，当甲烷浓度增大到4.9%时，（220）面衍射强度最高，说明金刚石晶形逐渐转为多晶，晶粒逐渐细化。除了这四个峰外，没其它晶相如石墨的衍射峰存在，说明样品具有很好的晶

12、体质量。由此可见，甲烷浓度对MPCVD法制备纳米金刚石薄膜具有重要作用，可影响其结构及质量。图1 不同甲烷浓度下薄膜样品的XRD图 图2 不同气压下合成金刚石的Raman图3.2 拉曼散射谱 Raman光谱现在已成为测量金刚石材料中物相结构的常用手段，与微米金刚石薄膜相比纳米晶金刚石薄膜的拉曼散射峰更为丰富。图223是用HFCVD法在甲烷/氢气体系下不同气压合成的金刚石薄膜的Raman光谱。在气压为2kPa以上时，Raman光谱呈现明显的1332cm-1金刚石特征峰，同时存在1580cm-1附近的石墨G峰和1481cm-1附近的无定形碳峰。在低气压（1.5kPa）下合成的纳米薄膜还在1140c

13、m-1附近和1460cm-1出现了两个特征峰，且所有的峰全都发生宽化，1460cm-1附近出现展宽的散射峰，一般认为与纳米结构的金刚石有关。而1140cm-1附近存在的散射峰一般认为与纳米金刚石或无序的SP3结构的碳有关24。由此可见，气压对纳米金刚石薄膜的制备影响较大，当气压较高时活性氢原子和含碳基团的自由程较短，能量较低，与气体相碰撞时不易产生二次形核，金刚石颗粒容易长大；而气压较低时二次形核率较高，从而抑制金刚石颗粒长大。 纳米金刚石薄膜的研究概况3.3 透射电镜透射电镜（TEM）是研究材料微观，亚微观结构的有力工具，是表征纳米金刚石薄膜形貌的常用方法。TEM可确定晶体结构、点阵常数和晶

14、体位相，特别适合于分析那些难以分离的微区物相的形貌结构和晶体结构，高分辨TEM还可直接看出纳米金刚石晶粒大小。4 纳米金刚石薄膜的研究热点近年来，纳米金刚石薄膜因其高机械强度、低摩擦系数、高化学稳定性、低电子发射阀值电压等众多的优异性能吸引了科学家的密切关注25。目前，纳米金刚石薄膜在微米和纳米机电系统（Micro-and Nano-Electromechanical Systems, MEMS and NEMS）、生物医学和生物传感器（Biomedicine and Biosensor）领域的应用研究最受瞩目。4.1 纳米金刚石薄膜的MEMS与NEMS应用MEMS/NEMS是一种将微机械元件

15、和半导体微电路集成在硅芯片上的战略性制作技术。当前MEMS和NEMS仍然沿用比较成熟的Si半导体工艺和微加工技术。MEMS和NEMS中的活动机械部件，如轴、叶片、转子等需要承受严重的摩擦磨损。Si的摩擦系数很高，而许多MEMS和NEMS系统要求在强腐蚀化学环境中长期稳定使用，显然Si不适合于这样的应用。而纳米金刚石膜的优异性能使其成为最理想的MEMS和NEMS材料。国外NCD的沉积技术较好，他们通过选择性区域沉积（Selected Area Deposition, SAD）,NCD膜可以涂覆在复杂的Si/SiO2结构表面26。美国Argonne国家实验室Gruen博士的研究小组在超纳米金刚石膜

16、研究取得重要成果25，几年前已经研发出采用超纳米金刚石膜微型转子、微型推进叶轮、微型输送泵等。美国SP3公司在标准硅基片上用CVD法在沉积出10-20m厚的纳米金刚石膜基底上沉积一层小于5m的硅层27, 再用标准光刻和刻蚀工艺将电路元件置于顶层硅上。这层纳米金刚石薄膜大大改善了芯片的散热性能，解决了目前硅集成电路芯片因不断的小型化而遇到的散热问题。据称，未来5年内，很可能绝大多数的微机处理器都将采用这种夹杂纳米金刚石膜的多层结构28。4.2 纳米金刚石薄膜在生物医学和生物传感器中的应用近年来，对纳米金刚石薄膜在生物医学、生物技术和生物传感器方面的应用研究十分引人注目。纳米金刚石薄膜可以做葡萄糖

17、传感器、心脏导管消融、视网膜微芯片封装的材料,特别是生物学调查或者生物传感器应用固定化生物分子模板材料。现在已经出现了生物微机电系统传感器、颞下颌关节涂层、固定化生物分子模板29。5 结语纳米金刚石薄膜的优异性能吸引国内外很多学者的关注，很多学者已经取得了不错的研究成果，但国内外对纳米金刚石薄膜的研究还处于基础性研究阶段，其工业化应用还存在一些问题，主要表现在CVD法制备纳米金刚石薄膜的性价比不高，纳米金刚石薄膜沉积效率低、速率慢、附着力低、质量和面积也有待进一步提高。随着科研工作者的继续努力，相信不久的将来，CVD纳米金刚石薄膜不论在技术、制备还是工艺上将会获得很大进展。随着能源经济与节约意

18、识的加强和绿色经济的推广，纳米金刚石薄膜的应用前景将十分的广阔。参考文献1 Ties Behnke, Alexander Oh, Albrecht Wangner, et al. Development of diamond films for particle detector applications J. Diamond and Related Materials, 1998, 7(1): 1553-1557. 2 L.M. Edwards, J. L. Davidson. Fabrication process development and characterization of p

19、olycrystalline diamond film resistors J. Diamond and Related Materials, 1993, 13(2):808-811.3 陈光华, 张阳, 等. 金刚石薄膜的制备与应用 M. 北京: 冶金工业出版社, 2004:22-30.4 朱利兵, 唐元洪, 林良武. 纳米金刚石薄膜的合成、表征及应用 J. 人工晶体学报, 2004, 33(6):1052-1056.5 H. W. Xing, Z. M. Zhang, et al. Composite films with smooth surface and the structural

20、 influence on diel-ectric properties J. Diamond and Related Materials, 2002, 11(1): 228-233.6 N. Jiang, K. Sugimoto, K. Eguchi, et al. Reducing the grain size for fabrication of nanocrystalline diam-ond films J. Journal of Crystal Growth. 2001, 222(3): 591594.7 S. T. Lee, H. Y. Pang, et al. A Nuclea

21、tion site and mechanism leading to epitaxial growth of diamond films J. Science, 2000, 287(6): 104-107. 8 P. Holman, O. Wanstrand, et al. Friction properties of smooth nanocrystalline diamond coatings J. Diam-ond and Related Materials, 1998, 11(7): 1471-1477.9 张立德, 牟季美著. 纳米材料与纳米结构 M.北京: 科学出版社, 2002:

22、56-59.10 Grune D M. Nanocrystalline Diamond Films J. Review Material Science, 1999, 29(6): 211-259.11 Sobia Allah Rakha, et al. Effects of N2 addition on nanocrystalline diamond lms by HFCVD in Ar/CH4 纳米金刚石薄膜的研究概况gas mixture J. Current Applied Physics 2010, 10: 171175.12 M.J. Chiang, B. H. Lung, M.

23、H. Hon. Low-pressure deposition of diamond by electron cyclotron resonance microwave plasma chemical vapor deposition J. Journal of Crystal Growth, 2000, 211(9):216-219.13 C.J Tang, et al. A new regime for high rate growth of nanocrystalline diamond films using high power a-nd CH4/H2/N2/O2 plasma J.

24、 Diamond & Related Materials, 2011, 20(5): 304309.14 丰杰, 李建国, 梅军等.单双层加热结构对纳米金刚石膜形貌及摩擦性能的影响 J. 真空科学与技术学报, 2010, 30(5): 474-478.15 相炳坤, 左敦稳, 李多生等.直流电弧等离子体喷射法高速制备高质量纳米金刚石膜研究 J. 桂林：超硬材料工程, 2008, 20(4): 1-4.16 姜宏伟,捧鸿雁.间歇生长模式高甲烷浓度制备纳米金刚石膜 J. 材料导报, 2010, 24(15): 67-70.17 王延平, 王兵, 等. 掺氮纳米金刚石膜的制备和性能 J. 材料研究学

25、报, 2011, 25(2): 147-149.18 Shibing Tian, Yunlong Li, et al. Highly efficient field emission from nanodiamond films treated by fastreactive ion etching process J. Physica E, 2011, 43: 1902-1905.19 Chii-Ruey Lin, Wan-Hsiang Liao, et al. Improvement on the synthesis technique of ultrananocrystalline di

26、amond films by using microwave plasma jet chemical vapor deposition J. Journal of Crystal Growth, 2011, 326: 212-217.20 Hak-Joo, H.Li, Hyeongtag Jeon, et al. Some novel aspects nanocrystalline diamond nucleation and grow-th by direct current plasma assisted chemical vapor deposition J. Diamond & Rel

27、ated Materials, 2010, 19: 1393-1400.21 史新伟, 安子风, 张水, 等. 甲烷浓度对金刚石薄膜质量的影响 J. 真空, 2011, 48(5): 64-66.22 林澈文, 等. 利用甲烷/氢微波等离子体CVD工艺在纯钛基体上沉积纳米金刚石薄膜J. 超硬材料工程, 2005, 17(63): 46-51.23 丰杰, 李建国, 梅军, 等. 单双层加热结构对纳米金刚石膜形貌及摩擦性能的影响 J. 真空科学 与技术学报, 2010, 30(5): 474-478. 24 Ferrari A C, Robertson J. Origin of the 1150

28、cm-1 Raman Mode in Nanocrystalline Diamond J. PhysRev B, 2001, 16(2): 333-338.25 Gruen D M. Nanocrystalline Diamond Films J. Annu Rev Master Sci, 1999, 29: 211-219.26 Popov C, Kulisch W. Nanocrystalline Diamond Films for Advanced Technological Applications. Functi-onalized Nanoscale Materials M. Dev

29、ices and Systems, Springer Netherlands, 2008:215-224.27 SP3 Diamond Technologies Inc. ()28 May P W. Materials Science-The New Diamond Age J.Science, 2008, 319(5869):1490-1491.29 Popov C, Kulisch W. Reithmaier J, et al. Bioproperties of Nanocrystalline Diamond/Amorphous Carbon Composite films J. Diam

30、ond Relat Mater, 2007, 16(4): 735-739.Progress in the Research of nanocrystalline diamond filmsWu jian-peng, Ma zhi-bin, Zhan yu-long( School of , Wuhan Institute of Technology; Key Laboratory of Plasma Chemical and Advanced Materials of Hubei Province, Wuhan 430073, China)Abstract: The preparation

31、and application of nanocrystalline diamond films (NCD) have become a new hotspot for its excellent properties. The progress in the research of NCD in recent years has been summarized in this paper. Some new research achievements including preparation technology and characterization method of NCD hav

32、e been analyzed. Finally, the application foregrounds of NCD are prospected.Keywords: nanocrystalline diamond; plasma chemical vapor deposition; characterization （王卫红供稿）热点追踪纳米金刚石薄膜纳米金刚石薄膜拥有杰出的力学、热学、电学和光学等物理性能，有广泛的应用前景，如：热沉、声表面波器件、X射线光刻掩膜、传感器和光电子器件、场发射器件、光学元器件、电化学电极材料、切割工具和滑动部件等。通过微波等离子体化学气相沉积生长制备的纳米

33、金刚石薄膜阈值电场达到1V/m，当电场为4V/m时，发射电流密度达到410- 4amps/cm2。我们采用独特的工艺在Si和SiC衬底上沉积制备了纳米金刚石薄膜，其颗粒度达到10 30nm，表面粗糙度达到20 40nm。其中在SiC陶瓷衬底上沉积纳米金刚石薄膜为国际上首次报导。（摘自：纳米金刚石薄膜21世纪的“工业维他命”纳米结构金刚石 纳米结构金刚石是一种兼具有金刚石和纳米颗粒双重特性的新型材料。这种金刚石自然界不蕴藏，静压法也制造不出来，由于其生长条件苛刻，所以其合成技术直到1987年才由俄罗斯在实验室率先研制成功，90年代初才投入批量生产。1993年中科院兰州化学物理研究所，在国内首先用

34、炸药爆轰法合成得到了平均粒径为110nm的纳米结构金刚石。据了解目前从事这一研究的单位还有：中国人民解放军第二炮兵工程学院、北京理工大学、东南大学材料系、西南流体物理研究所、西北核技研究所、北京溥泽科技开发中心等。可见，一支高素质的纳米结构金刚石研究开发技术队伍已基本形成，并在爆轰技术、机理研究、提纯处理、物理测试等方面取得可喜进展。 炸药爆炸合成金刚石的方法与传统的石墨相变法（包括静压法和动压法）和化学气相沉积（CVD）法不同，它是以负氧平衡炸药TNT和黑索金RDX经一定比例混配作原料（其中TNT为碳源，RDX为高压源），置入密闭爆炸罐中，内充惰性气体（如CO和N），通过引爆和一定的爆温（3

35、0005000K）爆压（2030Gpa)控制，有机炸药分子解离成碳原子或是原子团，在短瞬间（若干微秒）冷却，收集爆炸固相（爆轰灰）；除去雷管导索等杂质，用强酸除去无定形碳及金属杂质，再用蒸馏水冲洗至中性，即可得到纳米结构金刚石。 为了解纳米结构金刚石特性，人们利用X射线衍射、透射电镜、激光拉曼光谱、红外吸收光谱、差热和热失重等对纳米结构金刚石的特性进行了表征，分析了不同合成条件对纳米结构和性质的影响。 纳米结构金刚石的应用在美、日、俄、乌等国家已经取得了很大进展。我国开展纳米结构金刚石应用研究虽然起步较晚，但经过努力也已取得成果，例如，第二炮兵工程学院与西安交大合作，研究开发了一种高效专用内燃

36、机磨合油，显著缩短磨合时间，提高磨合品质，改善发动机配合副表面耐磨性能；与第四军医大学合作，把纳米结构金刚石作为生物抗体的载体，因它具有很好的表面惰性，不含重金属杂质，不会使生物抗体发生结构和性能上的变化，不会影响其功能的发挥，有可能在医疗上得到广泛的应用；中科院兰州化学物理研究所、西安核技术研究所在复合镀层、橡胶和树脂增强方面作了有益尝试，哈尔滨工业大学用含有纳米结构金刚石的研磨液对陶瓷滚珠进行磁流体研磨，得到了粗糙度只有0.013m的表面等等。以上应用只是个初步的，但是个良好的开端。纳米结构金刚石能否产业化，主要取决于应用。因此，加大纳米结构金刚石应用技术的研究与开发力度则是关键，而实行科

37、研、生产、应用的“三结合”对加速应用步伐又是十分重要的。（摘自：http:/www.idacn.org/articles/18043.html中国超硬材料网）金刚石材料未来发展CVD金刚石膜的崛起化学气相沉积CVD金刚石薄膜是继动态与静态法合成金刚石后，出现的一种与前两种方法完全不同的方法。值得一提的是，CVD金刚石砂轮修整工具方面的应用，在欧美等发达国家已获得普遍的认可。 目前有代表性的CVD金刚石生长技术是，大面积的热丝CVD技术和大功率(35kW或更高)微波CVD技术。大面积的热丝CVD技术是目前广泛应用和比较成熟的产业化技术，它的生长面积已达到直径300mm以上。另一种有代表性的产业化

38、生产技术是大功率(60kW)微波技术，用该技术制备的金刚石膜片，直径150mm，厚度2mm，其质量和高质量的天然金刚石几乎完全相同。 CVD金刚石膜为什么会引起材料技术工程工作者们的极大关注，这得由其技术特性去分析，去研究。研究证实，高质量的金刚石多晶薄膜的硬度、导热、密度、弹性(以杨氏模量表征)和透光性物理性质已达到或接近天然金刚石。 金刚石的即时散热特性已使它逐渐成为高功率电子产品(如LED或雷射)理想的散热片。 金刚石没有保留的透光能力，也使它成为视窗(如红外线夜视镜或雷达罩)的极品。（摘自： 金刚石网） 金刚石薄膜的发展趋势和应用前景近年来，合成金刚石薄膜已成为世界科技先进国家研究开发

39、的最热门的新材料之一。随着半导体领域的需求量越来越大，并且对其品质要求日益增加，加之金刚石具有其他半导体材料无法比拟的优异性能的优势，因此，金刚石薄膜将会成为下一代电子元器件重要的新型材料。自化学气相沉积金刚石薄膜技术问世以来，金刚石薄膜的基础理论和应用开发研究已取得了巨大的成就。目前，金刚石主要是应用于精密机械加工领域，据报道每年有6.4 亿美元的销售额。并且应用领域正在进一步的扩大，在微电子、热沉、光学、声学等领域将得到更多的应用。尽管金刚石薄膜的制造工艺还不够十分完备，其面世也不过十几年，但据有关专家预测，在21 世纪初，金刚石薄膜的制造工艺将会相当成熟，它将给人类尤其是电子领域带来极大

40、的技术变革。我国对金刚石薄膜的研究虽起步较晚，应用方面与国外相比有一定的差距，这在一定程度上制约了我国电子计算机、航空航天、金属加工和军事等工业的进步，尤其使集成电路和导弹技术的发展受到了限制。十多年来，国内已经开始重视金刚石薄膜的研制和开发工作，目前已有多家单位正在开展金刚石薄膜方面的基础研究工作，国家已把金刚石的研究工作列入了“863”、 “973”重大科研课题，并取得了可喜的成果。在金刚石研究的各个方面，如：除热沉方面有较大进展外，金刚石薄膜在电致发光器件、电子功能器件、场电子发射、涂层刀具等方面都有了一定的进展。这些工作必将推动金刚石薄膜在国内的产业化进程，为我国的科技进步做出贡献。用

41、金刚石镶嵌法在铜基底上生长强附着金刚石薄膜方法总之，金刚石薄膜作为一种特殊功能材料，目前国内外的科技界都在不断地开拓和发展其新的应用领域，其发展潜力巨大。与过去几年相比，现在的技术更加接近了市场应用，尽管仍有一定风险，但已到了可以预测和承受的程度。（摘自： （吴长江供稿） 最新技术用金刚石镶嵌法在铜基底上生长强附着金刚石薄膜的方法 甘肃省兰州市渭源路97号中国航天科技集团公司第五研究院第五一研究所发明的一种用金刚石镶嵌法在铜基底上生长强附着金刚石薄膜的方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明公开了一种用金刚石镶嵌法在铜基底上生长强附着金刚石薄膜的方法，将

42、体积比115的铜粉和金刚石粉混合均匀，形成混合粉体，然后，采用现有冷压方法将该混合粉体制成金刚石/铜复合材料基板；再将制成的金刚石/铜复合材料基板置于化学气相沉积设备中，采用现有沉积方法在该复合材料基板上生长强附着金刚石薄膜。采用该方法生长的金刚石薄膜与基底具有良好的机械结合，能够有效防止铜基金刚石膜在化学气相沉积过程中或沉积结束后冷却过程中出现的破裂脱落现象，具有良好的附着性能以及高的热导率。 被覆了金刚石薄膜的炭材料及其制造方法 日本国大阪府大阪市东洋炭素株式会社研制出的一种被覆了金刚石薄膜的炭材料及其制造方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明的目

43、的在于，提供通过在碳质基材上以难以受到由氢自由基造成的蚀刻的影响的状态添加金刚石粒，具备抑制基材蚀刻速度、密合性优良的金刚石薄膜的炭材料及其制造方法。该发明的材料的特征在于，其是在金刚石合成条件下在不显现重量减少的碳质基材的表面配置有金刚石粒，进而形成有以该金刚石粒为核的金刚石层的炭材料，上述金刚石粒的单位面积的重量被规定为1.010-4g/cm2以上且小于3.010-3g/cm2。 一种在物件基底上沉积抗腐蚀类金刚石薄膜的方法 湖北省武汉市雄楚大街981号湖北久之洋红外系统有限公司研制出的一种在物件基底上沉积抗腐蚀类金刚石薄膜的方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行

44、了公开。 该发明涉及一种在物件基底上沉积抗腐蚀类金刚石薄膜的方法，属于涂层技术领域，适用于硅、锗半导体材料以及钢及其合金、铝及其合金金属材料表面类金刚石膜的化学气相法镀制，产品特别适合在盐雾、海水、酸、碱、盐等腐蚀环境下使用。该发明方法包括下述步骤：（1）基底清洗；（2）惰性气体离子轰击；（3）类金刚石薄膜沉积；类金刚石薄膜沉积分为A型类金刚石膜层沉积和B型类金刚石膜沉积；在沉积过程中A型类金刚石膜和B型类金刚石膜交替沉积生长。该发明的优点是：方法简单，易于操作和实现，类金刚石薄膜具备优异的抗盐雾、海水、酸、碱、盐等介质腐蚀能力，且无需使用剧毒气体或原料，因此，安全环保。 掺氮纳米金刚石薄膜的

45、制备方法四川省绵阳市青龙大道中段59号西南科技大学发明的一种掺氮纳米金刚石薄膜的制备方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明是掺氮纳米金刚石薄膜的制备方法。包括：a、以硝基苯甲醛、C60、氨基酸为原料，合成得到C60含氮衍生物；b、将C60含氮衍生物溶入甲苯中形成甲苯溶液，放入液态源容器中；c、将单晶硅基片放入微波等离子体反应腔中的样品台上，开启微波发生器，并向液态源容器通入氩气，通过液体鼓泡法用氩气将C60含N衍生物分子载入反应腔中并在微波能激励下共同形成等离子体金刚石薄膜。该发明生成的掺氮纳米金刚石薄膜电子电导率大，最高达1.31102-1cm-1，

46、迁移率也较高，对应电导率最大值时可到22cm2/Vs。该发明制备高电导率n型金刚石膜方法简便，实施容易。 一种基于金刚石薄膜场效应晶体管欧姆接触电极的制备方法 上海市宝山区上大路99号上海大学发明的一种基于金刚石薄膜场效应晶体管欧姆接触电极的制备方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明涉及一种基于金刚石薄膜场效应晶体管欧姆接触电极的制备方法。属于金刚石膜场效应晶体管器件制造工艺技术领域。该发明的要点是利用磁控溅射和离子溅射方法在金刚石薄膜上沉积制备Ti-Pt-Au三层金属体系，并在氮气气氛下退火，形成欧姆接触电极。该发明的三层Ti-Pt-Au欧姆电极是有

47、较高的IV性能、较低的薄膜漏电流，其电阻率得到明显改善、使器件的性能得到提高。 掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜置制备方法与装 江苏省镇江市京口区学府路301号江苏大学发明的一种掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法与装置向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 掺杂超纳米结构金属粒子的金刚石薄膜置制备方法与装该发明涉及一种掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法与装置，制备掺杂金属粒子的金刚石薄膜装置由控制系统、靶材系统、工件控制系统和辅助系统组成。高功率脉冲激光装置发出的强激光聚焦到在真空条件下的高纯石墨靶材表面上，高能量的激光诱导出大量的等离子体

48、高速轰击预先均匀加热的基材表面，在基材表面快速相变形成金刚石薄膜。准分子激光器发出的激光聚焦到金属靶材上，高能量密度的激光在金属靶材表面诱导出的由大量的金属粒子构成的等离子体高速轰击已制备的金刚石薄膜表面，大量的金属粒子有效地紧密填补金刚石薄膜颗粒表面的缝隙，形成了一层均匀的金属膜，实现金刚石薄膜表面的改性，提高了金刚石薄膜的抗压强度和耐磨性。 强激光辐照碳纳米管连续合成制备金刚石薄膜方法和装置 江苏省镇江市京口区学府路301号江苏大学研制的一种强激光辐照碳纳米管连续合成制备金刚石薄膜方法和装置向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明涉及一种强激光辐照碳纳米

49、管连续合成金刚石薄膜的方法和装置，其特征在于：合成金刚石薄膜装置由激光发生系统、工件系统和辅助系统组成。高功率脉冲激光装置发出的激光经分光镜反射和分光后产生两条激光束G1和G2，激光束G1聚焦于基底上表面正上方的适当位置，溶液中的碳纳米管粉末吸收激光能量瞬间气化、电离，产生大量的高速等离子体，同时在激光G2复合作用下，在的基底表面的产生瞬间的高温高压微区，高速等离子体轰击基底表面形成金刚石薄膜。该发明克服了合成效率低、反应条件特殊和装置操作困难且设备贵的问题，创新实现了金刚石薄膜在宏观常温常压下的连续合成，获得了厚度较厚的高纯度金刚石薄膜。 一种微型钻头金刚石薄膜涂层的制造方法江苏省南通市崇川

50、区崇川路58号2号楼209-214室南通晶科超膜材料有限公司发明的一种微型钻头金刚石薄膜涂层的制造方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明公开了一种微型钻头金刚石薄膜涂层的制造方法，对微钻的基底材料进行表面处理，采用多步沉积法，控制热丝化学气相CVD(Chemical?Vapor?Deposition化学气相沉淀)金刚石薄膜沉积生长条件：加热热丝的温度、腔体内的压力、反应源气体的选择与流量、热丝的排布、微型钻头顶端与热丝之间的距离、热丝排布间距、薄膜沉积生长时间、微型钻头顶部表面温度等。该微型钻头经金刚石薄膜涂层加强了微钻的耐磨与切削性能，使微型钻头的使

51、用寿命可提高5-10倍以上，且并未改变微钻的精度，减少了钻机换钻的频率，提高了生产效率，大幅降低了生产成本。 ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法 上海市宝山区上大路99号上海大学发明的一种ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明涉及一种基于ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。该发明主要特点在于采用高导电率的氢终端纳米金刚石薄膜作为p型层，并在此层上制备高质量的n型ZnO薄膜，从而得到ZnO/纳米晶金刚石异质结光电探测器件。该发明所得器件对35

52、0nm的紫外光具有明显的光电响应。相对于一般的ZnO/金刚石探测器，具有更好的pn结光电响应特性。 一种超硬金刚石薄膜力学性能的测试方法 北京市海淀区学院路29号中国地质大学(北京)研制的一种超硬金刚石薄膜力学性能的测试方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明公开了一种超硬金刚石薄膜力学性能的测试方法，所述测试方法为采用微米压痕法测量金刚石薄膜的硬度和弹性模量；利用自动加载机构对金刚石薄膜连续施加数N至上千N范围的载荷，通过人造金刚石压头将连续载荷施加至金刚石薄膜表面，压入深度控制在1/10-1/15膜厚范围内，通过位移传感器和计算机处理得到材料的载荷-

53、深度曲线，再按设定的卸载速率得到卸载时的载荷-深度曲线，将两组数据经过计算得到材料的弹性模量及硬度。该发明采用微米压痕法测量金刚石薄膜的硬度和弹性模量；利用廉价的金刚石压头代替昂贵的镀金刚石膜压针，降低了实验的成本，减少了实验误差，并能满足对厚金刚石膜的硬度、弹性模量及膜基结合力的测量要求。 一种空间用齿轮沉积钨掺杂含氢类金刚石薄膜的中间过渡层制备方法 甘肃省兰州市城关区渭源路97号中国航天科技集团公司第五研究院第五一研究所发明的一种空间用齿轮沉积钨掺杂含氢类金刚石薄膜的中间过渡层制备方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明公开了一种空间用齿轮沉积钨掺杂

54、含氢类金刚石薄膜的中间过渡层制备方法，属于表面改性领域。所述方法步骤如下：(1)化学清洗齿轮；(2)加热及抽真空；(3)等离子体源轰击清洗齿轮；(4)沉积Cr毗邻层；(5)沉积Cr/WC成分梯度过渡层；(6)沉积钨掺杂含氢类金刚石薄膜。该方法显著提高了钨掺杂含氢类金刚石薄膜与空间齿轮间的结合强度，使其结合强度大于250mN，有效地解决了钨掺杂含氢类金刚石薄膜与空间齿轮结合状况差的技术难题，同时也可用于提高钨掺杂含氢类金刚石薄膜与空间精密齿轮、谐波减速器间的结合强度。 一种高致密纳米金刚石薄膜的生长方法一种空间用齿轮沉积钨掺杂含氢类金刚石薄膜的中间过渡层制备方法一种高致密纳米金刚石薄膜的生长方法

55、 天津市南开区红旗南路延长线天津理工大学发明的一种高致密纳米金刚石薄膜的生长方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明是一种高致密纳米金刚石薄膜的生长方法，采用多步生长法来沉积纳米金刚石薄膜，具体步骤如下：1）将硅衬底用磨料进行研磨处理；2)在上述研磨处理后的硅衬底上沉积金刚石；3）对上述已沉积的金刚石薄膜表面用磨料进行研磨处理；4）在上述研磨处理后的金刚石薄膜表面再次沉积金刚石；5）重复进行步骤3）和4），即可制得高致密纳米金刚石薄膜。该发明的优点是：1）可以制得晶粒小于100nm的高致密纳米金刚石薄膜；2）金刚石薄膜的晶粒范围和致密程度可通过调节沉积方

56、法、沉积时间和研磨-沉积重复次数来进行控制；3）制备方法简单易行；4）用于研磨的金刚石粉容易获取，可循环利用，成本低廉。 在类金刚石薄膜表面制备羧基改性层的方法及由该法所制备的类金刚石薄膜 广东省广州市海珠区新港西路135号中山大学研制的一种在类金刚石薄膜表面制备羧基改性层的方法及由该法所制备的类金刚石薄膜向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明公开一种在类金刚石(DLC)薄膜表面制备羧基改性层的方法。该方法是在常温、气相条件下，应用低能射频等离子体激发工艺对DLC薄膜表面进行羧基改性，并对羧基改性后的DLC薄膜表面进行氢化处理，制备出具有稳定羧基改性层的D

57、LC薄膜；羧基改性层与DLC表面碳层结合牢固，改性层厚度小于10nm。该方法制备的羧基改性层的羧基含量高，纯度高，并且不会改变薄膜内部原有的物理化学特性，可应用于生物传感器、生物材料等生物医学领域。一种用于锂空电池的类金刚石薄膜正极材料及其制备方法上海市杨浦区邯郸路220号复旦大学研制的一种用于锂空电池的类金刚石薄膜正极材料及其制备方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明属电化学技术领域，具体为一种锂空电池正极材料及其制备方法。该正极材料为类金刚石（DLC）薄膜材料，薄膜厚度为0.11m。该薄膜通过电子束热蒸发法制备获得。由该薄膜制成的电极，具有良好的充

58、放电循环可逆性，可逆比容量为2318mAh/g。该类金刚石（DLC）薄膜电极材料化学稳定性好、比容量高、循环性能优异、制备方法简单，适用于锂空电池。 一种纳米金刚石薄膜的制备方法 广东省广州市科学城揽月路80号科技创新基地E区204-206广州市德百顺电气科技有限公司发明的一种纳米金刚石薄膜的制备方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明公开了一种纳米金刚石薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)对衬底进行辅助形核处理；(2)在衬底表面沉积纳米金刚石薄膜；(3)对纳米金刚石薄膜进行去氢处理：将步骤(2)得到的覆盖有纳米金刚石薄膜的置于38kPar的氧气氛围下，

59、并加热到100300，保持5min60min。该发明通过去除纳米金刚石薄膜表面的氢化层，使纳米金刚石薄膜获得更高、更稳定的电导率，进一步扩大了纳米金刚石薄膜的应用范围。一种基于金刚石薄膜的LED散热基底及其制作方法 天津市南开区红旗南路延长线天津理工大学主校区天津理工大学发明的一种基于金刚石薄膜的LED散热基底及其制作方法向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明是一种基于金刚石薄膜的散热基底，包括硅衬底、金刚石薄膜和过渡层，在硅衬底上制备金刚石薄膜具有硅上金刚石(DOS)结构，所述金刚石薄膜表面粗糙度在去除封端顶层和进行表面平坦化处理后为纳米量级并进行表面改

60、性；过渡层为Ti薄膜，在制备金属凸点之前先沉积于表面改性后的金刚石薄膜上。该发明的优点是：采用导热率最高的金刚石薄膜来作为LED基底的散热层，形成硅上金刚石(DOS)结构，大大提高了散热的效率。同时在散热沉底上直接制作焊接用的金属凸点，减少热量的传输距离，利用热化学机械平坦化对金刚石表面进行表面改性及平坦化，改善表面粗糙度，激活表面的价健从而改善金刚石薄膜与金属凸点的粘附性，防止接触界面中间产生气泡等缺陷，形成的良好接触界面能够降低结热阻，提高散热效率。 高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备 河南省郑州市高新技术开发区科学大道100号郑锦华和郑州大学共同研制出一种高界面强度类金刚石薄膜材料

61、的常温沉积设备向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该实用新型涉及一种高界面强度类金刚石薄膜材料的常温沉积设备，采用一个由平面平板电极和钨丝线圈电极所构成的组合阳极，在钨丝线圈阳极上加工出锐角的三角形槽口，以形成尖端放电点；在DC直流等离子放电中，在DLC薄膜表面形成一定密度的微孔构造，使DLC薄膜成为非连续膜，其作用是减少膜中的压缩残余应力。通过组合阳极的升降调整，可以控制DLC薄膜表面形成的微孔密度。电源采用DC-RF射频双电源系统，DC直流等离子发生源使镀层和薄膜有好的结合强度，同时也与金属基材有好的结合强度；利用RF射频法形成致密的DLC薄膜结构，提高薄

62、膜的耐磨性能；同时将钨丝线圈电极转换为热灯丝，形成热丝辅助CVD化学气相沉积过程，提高薄膜的沉积速度。设备使用寿命长，非常利于推广实施。 一种利用类金刚石复合膜进行金刚石薄膜平坦化的工艺一种利用类金刚石复合膜进行金刚石薄膜平坦化的工艺天津市南开区红旗南路延长线天津理工大学主校区天津理工大学研制的一种利用类金刚石复合膜进行金刚石薄膜平坦化的工艺向中国知识产权局申请了专利。近日，中国知识产权局对该申请进行了公开。 该发明是一种采用类金刚石复合膜法进行金刚石薄膜平坦化的工艺，步骤如下：1)以单面抛光的硅片为基底，采用常规沉积工艺制备金刚石薄膜；2)在沉积金刚石薄膜的硅片上，采用化学气相沉积法，沉积类金刚石薄膜；3)采用化学机械抛光法，对类金刚石薄膜进行平坦化，从而得到高度平坦化的金刚石薄膜。该发明的优越性是：该发明制备方法简单，具有去除量少、表面硬度小、抛光效率高等优点，消除了各种去除式抛光工艺的缺点，增大了抛光面积，提高了薄膜质量，采用非金刚石粉的磨料可大大降低成本，通过实验证实可以高效率的得到表面粗糙度Ra1.5nm的金刚石薄膜，而金刚石薄膜仍保持原有性质不变。 一种硼掺杂纳米金刚石薄膜及制备方法 浙江省杭州市下城区朝晖六区浙江工业大学研制的一种硼掺杂纳米金刚石