文档介绍：硕士学位论文
摘要
金刚石具有优异的力学、热学、光学、电学和声学性能,引起了各界科学工
作者的广泛关注。对金刚石的研究已成为材料、物理和化学界的研究热点。
本研究工作在自行设计的功率分别为和级的两个热丝系统中
进行。
首先,在小功率热丝系统中引入第二根灯丝,构成了“双灯丝”的试验
装置,并和衬底之间构造了不同的辅助方法,分别在直流放电和射频放电的情况
下比较分析了增强沉积金刚石生长机制。结果表明,没有衬底偏压而仅在双灯丝
间激发等离子体时能够显著增强金刚石的生长,据此提出了金刚石的活性络
和物生长模型。
其次,本文还研究了在陶瓷和硬质合金两种常用基底上金刚石薄膜的结
合性能,压痕试验表明,前者的粘结性能远高于后者,而且它们的剥落方式不同。
重点对硬质合金表面分别经酸蚀和氢原子原位脱碳预处理后沉积金刚石进行
了研究,压痕试验表明脱碳预处理的硬质合金上金刚石薄膜的粘结性能比酸蚀
预处理法时提高了近一倍,并详细探讨了它们不同粘结性能的原因。
最后,设计研制了一台级大功率热丝设备,解决了沉积大面积金刚
石厚膜过程中灯丝寿命和衬底表面温度均匀等关键问题,探索了沉积大面积金刚
石厚膜的工艺。为解决热丝法沉积金刚石的灯丝污染问题,提出了担丝表面包钨
的思想,并在的强电流下成功地实现了包钨试验。用射线衍射仪的薄膜附
件测试分析金刚石厚膜内的晶格松弛现象,发现沉积金刚石厚膜过程中存在高温
自退火的作用,运用晶格松弛的观点很好地解释了金刚石薄膜涂层刀具与厚膜钎
焊刀具的耐磨性能差异。
关键词金刚石膜热丝法生长速率粘结性能压痕试验晶格松弛
热丝化学气相沉积金刚石膜的研究
湖南大学
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热丝化学气相沉积金刚石膜的研究
化学气相沉积金刚石的基本原理与生长模型
化学气相沉积金刚石的基本原理
所谓化学气相沉积金刚石,可以概括为将含碳气氛与过饱和的氢气混合,
经过某种方式活化后通过衬底,在一定的气氛组成、活化能量、衬底温度以及衬
底与活化源之间的距离等条件下,在衬底表面沉积金刚石薄膜。一般认为,金刚
石膜的形核与生长可以分为三个阶段
含碳气体和氢气在一定的温度下分解成碳、氢原子和其它活性游离基团,他
们与基体结合先形成一层很薄的碳化物过渡层
碳原子在基体上形成的过渡层上沉积金刚石晶核
形成的金刚石晶核在适当的环境下长大成金刚石微晶,继而长大成金刚石薄
膜。
金刚石的生长模型
围绕金刚石薄膜的生长机制,人们从动力学、热力学和试验现象出发,
建立了一些金刚石的生长模型,尽管这些模型不能完全解释金刚石的生长机制,
但是它们对于探讨金刚石的生长规律仍然具有重要的理论与实际意义。下面介绍
其中的几个主要模型。
动力学控制模型
动力学控制模型是等人在年提出的,该模型认为如果在稳态
与亚稳态之间有一个足够高的势垒,则从具有较高自由能的先驱物生成亚稳态产
物是可能的,依靠对动力学条件的控制,可使不希望出现的产物的生长速率达到
最低。该模型很好地解释了金刚石在低压下合成的现象,但不能解释氢原子促进
金刚石生成的同时也刻蚀石墨的现象。
准平衡模型
准平衡模型是在年提出的,通过引用吸附、碰撞等热力学公
式和假设,以及用修改的准平衡近似方法,得到了具有金刚石稳定相区的碳氢二
元系相图。该模型的基本假设是氢分子碰撞到固体表面后被吸附在表面上,经
过反应平衡再脱附,氢原子从金刚石表面有的脱附,但从石墨表面只有
的脱附。该模型可以解释氢原子刻蚀石墨的现象,但不能很好地解释超平衡原
子氢的重要作用。
表面反应模型
于年提出了金刚石生长的表面反应模型,该模型认为,金刚
热丝化学气相沉积金