文档介绍：类金刚石薄膜的合成与应用荆晶中南大学长沙湖南2010年11月摘要:本文简要介绍了类金刚石薄膜的结构,性质,用途及几种重要的合成方法,其中有离子束沉积法,溅射法,电子加强化学气相沉积法(EACVD),等离子体化学气相沉积法(PCVD),微波等离子体化学气相沉积法(MWPCVD)五种常见的方法。(一)类金刚石的结构与性质类金刚石(diamondlikecarbon,简称为DIC)薄膜是一种含有一定量金刚石键(sp3)的非晶碳的亚稳类型的薄膜,薄膜主要成分为碳。因为碳能够以三种不同的杂化方式sp3、sp2和spl存在(如图一),所以碳可以形成不同晶体的和无序的结构。这也使得对碳基薄膜的研究变得复杂化。在sp3杂化结构中,,这种键合方式我们通常也称之为金刚石键。在像石墨一样的sp2杂化结构中,碳的四个价电子中的三个进入三角形的定向的sp2轨道中并在一个平面上形成键,第四个电子位于同键一个平面的Pπ轨道。π轨道同一个或多个相邻的原子形成弱的π键。而在spl结构中,四个价电子中的两个进入π轨道后各自在沿着X轴的方向上形成键,而另外两个价电子则进入Y轴和Z轴的Pπ轨道形成π键。类金刚石具有类似于金刚石的性能特点,其硬度和耐磨性仅次于金刚石,具有极高的电阻率、电绝缘强度、热导率和光学性能,同时具有良好的化学稳定性和生物相容性等独特的性能特点[1]。国外已广泛应用于机械、电子、光学、声学、磁介质保护、计算机硬盘、食品饮料等包装以及医学等多个领域。类金刚石薄膜的迅速发展,预测它们将是二十一世纪应用最广泛,经济效益最大的新材料之一。(二)类金刚石薄膜合成方法简介目前,类金刚石薄膜大多采用低温低压合成法[2]。十多年来,特别是八十年代以前不断出现了一些采用低温低压合成类金刚石膜的新工艺和新装置。低温低压合成法大致可以分为化学气相沉积法、物理气相沉积法等离子体法等。下面简单介绍几种主要合成类金刚石薄膜的方法。1,离子束沉积法。等离子合成也称放电合成,是20世纪70年代迅速发展起来的。它是利用等离子体的特殊性质进行化学合成的一种新技术。离子束沉积法可以说是一种特殊的等离子体法。它在反应器外产生正离子,然后能量很高的正离子导入反应器而使金刚石膜沉积在基体上,基体的温度在室湍左右,沉积所需能量靠离子动能提供。由于它产生的正离予不在反应管内,反应管内真空度高所以反应管内导入的杂质少,对膜的污染大大减少。沉积金刚石时,一般用石墨做成离子源的电极,用放电使其电离成正碳离子,然后导入反应器,基体上加一负电压,以吸引正离子,在单晶上用甲烷,己炔或苯气体沉积类金刚石薄膜。[3]。溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体(称为靶)表面使其中的原子发射出来。溅射镀膜是指在真空室中,利用荷能粒子轰击镀料表面使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。溅射是在工业上沉积DLC薄膜是最常用的方法,该法是用平面磁溅射装置在氢气(用氢气溅射墨靶比用氩和氦气好,因为前者被射频能激发后具有更大的溅射能)气氛中以射频能作能源,。溅射原理[4]如图二,(EACVD)EACVD法是在传统CVD法设备中,基体上方加一根发射电子的钨丝,目的是使沉积过程中通过高能电子的轰击,强化金刚石的结晶和其长大。国内吉林大学、湖南大学、上海交通大学、上海冶金研究所等单位在1988年“八六三”金刚石课题学术讨论会上报导,采用EACVD法均已获得金刚石薄膜。日本还进行用EACVD法在硬质合金***上涂层金刚石薄貘的研究。(PCVD)由于等离子沉积技术同传统的离子注入技术相比具有费用低、非视线性、薄膜厚度可控和能处理复杂形状靶等优点而在近几年得到了迅速发展。[5]PCVD法根据供给等离子体能量方式不同而分为两类;利用直流电作电源使气体放电形成等离予体称直流辉光放电等离子,利用射频能使气体放电称射频挥光放电等离子体。现将两种方法介绍如下:(1)直流辉光放电等离子体化学气相沉积法()在反应器中,将直流电压施于两个有一定距离的平行导电板上,使反应器中的气体(原子、分子等)因电能的作用而激发裂解和电离形戚等离子体。,。沉积类刚石薄膜时,一般进气CH4-H2,但也有用C2H2-Ar-CO2混合气此法优点是沉积述率较快,沉积过程易于控制,膜与基体尉着性好,但由于电极处于反应室内,可能导致膜污染。。(2)射频辉光放电等离子体化学气相沉积法(),,能沉积大面积碳膜,目前多用