金刚石薄膜的红外椭圆偏振光谱研究

采用红外椭圆偏振光谱对微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）和热丝化学气相沉积法（H-FCVD）制备的金刚石薄膜在红外波长范围（2.5—12.5μm）的光学参数进行了测量.建立了不同的光学模型，且在模型中采用Bruggeman有效介质近似方法综合考虑了薄膜表面和界面的椭偏效应.结果表明，MPCVD金刚石膜的椭偏数据在模型引入了厚度为77.5nm的硅表面氧化层、HFCVD金刚石膜引入879nm粗糙层之后能得到很好的拟合.最后对两种模型下金刚石薄膜的折射率和消光系数进行了计算，表明MPCVD金刚石薄膜的红外 关键词： 金刚石薄膜 红外椭圆偏振光谱 光学参数 有效介质近似     

类金刚石微球的高温高压制备

通过对化学气相沉积方法获得的碳膜微球进行高温高压处理,在约8GPa、1 600℃的条件下制备了类金刚石异质实心微球样品,芯轴为钼球。根据金刚石和钼的体积随压力及温度的变化规律,设计并优化了样品制备的温度-压力路径,以降低因类金刚石膜层与钼球的体弹模量及热膨胀系数差异而导致的残余应力。拉曼光谱测试结果表明,样品膜层具有明显的1 332cm~(-1)金刚石特征峰,高温高压有效地消除了存在于初始碳膜微球中的反式聚乙炔,同时降低了膜中残余应力,产生了有利于提高类金刚石膜强度的压应力;扫描电子显微镜测试结果表明,样品球形度良好,平均直径约2mm,类金刚石膜表面平均晶粒尺寸约为100nm,膜厚约为20μm;原子力显微镜测试结果表明,类金刚石膜层的表面粗糙度为647nm。     

飞秒激光制备硅窗口增透保护类金刚石膜

采用飞秒激光(800 nm,120 fs,3 W,1 000 Hz)制备类金刚石膜,研究了不同偏压、生长温度和氧气氛等辅助手段对激光沉积类金刚石膜的影响,实验发现在室温(25℃)、无偏压和低气压氧气氛(2 Pa)条件下沉积的类金刚石膜性能最优。在单面预镀普通增透膜的硅红外窗口材料上镀制出了无氢类金刚石膜,3~5μm波段平均透过率达到90%以上,纳米硬度高达40 GPa,用压力为9.8 N的橡皮磨头,摩擦105次,膜层未见磨损,并且通过了军标规定的高温、低温、湿热、盐雾等环境试验,所制类金刚石膜可对红外窗口起到较好的增透保护作用。     

脉冲高能量密度等离子体法类金刚石膜的制备及分析

利用脉冲高能量密度等离子体法在光学玻璃衬底上、在室温下成功的制备了光滑、致密、均匀的纳米类金刚石膜.工艺研究表明：放电电压和放电距离以及工作气体种类对纳米类金刚石膜的沉积起着关键作用.利用拉曼光谱、扫描电镜以及电子能量损失谱分析薄膜的形态结构表明：薄膜具有典型的类金刚石特征；纳米类金刚石膜的晶粒尺寸小于20nm甚至为非晶态；类金刚石膜中含有一定量的氮原子，随着沉积能量的升高，氮的含量增大.纳米类金刚石膜的薄膜电阻超过109Ω/cm2.对放电溅射过程进行了理论分析，结果与工艺研究的结论吻合.     

纳米晶Si在高压下的电学性质与金属化相变

 在金刚石压砧装置上,采用电阻和电容测量方法,研究了粒径为15~18 nm和80 nm的纳米晶Si在室温下、24 GPa内的电阻、电容与压力的关系。实验结果表明,它们分别在19~17 GPa和14 GPa左右发生了金属化相变。     

炸药爆轰法制备纳米石墨粉及其在高压合成金刚石中的应用

介绍了一种制备纳米石墨粉的新方法——负氧平衡炸药爆轰法. 对合成的黑粉产物进行x射线衍射分析，确认其为石墨结构，平均晶粒度为2.58 nm. 透射电子显微分析的结果表明，炸药爆轰法制备的黑粉为六方结构的纳米石墨粉，颗粒呈球形或椭球形. 用小角x射线散射法测定纳米石墨粉的粒度分布在1—50 nm，有92.6wt%的粉末粒度小于16 nm. 平均粒径为8.9 nm. 纳米石墨粉的比表面积约为500—650 m²/g. 在六面顶压机中用纳米石墨粉在Fe粉触媒的作用下进行金刚石的高压合成实验 关键词： 纳米石墨粉 爆轰 金刚石 合成     

不同尺寸锐钛矿结构TiO2纳米晶的高压相变研究

本文利用溶胶-凝胶法合成出5.6 nm、8.6 nm和19.4 nm三种尺寸的锐钛矿结构TiO2纳米晶, 并利用金刚石对顶砧压机结合Raman光谱技术研究了尺寸效应对其在23 GPa高压下结构相变的影响。结果发现, 对于5.6 nm和8.6 nm的样品, 加压到23.2 GPa和22.5 GPa的压力时没有发生结构相变, 而是转变为无定型结构, 卸除压力后, 依然保持为无定型; 而19.4 nm的样品在约11.3 GPa时逐渐转变为单斜斜锆石结构, 在卸压后转变为α-PbO2结构。相对于块材, 尺寸越小, 相变压力越大。基于吉布斯自由能理论, 尺寸减小引起的表面能增大被认为是相变压力变大的主要原因。     

石英衬底上生长的高光学质量的纳米金刚石薄膜

采用射频等离子体增强的热丝化学气相沉积(RFHFCVD)技术在石英玻璃衬底上制备了表面光滑、晶粒致密均匀的纳米金刚石薄膜.用扫描电子显微镜(SEM)和台阶仪观测薄膜的表面形貌和粗糙度,x射线衍射(XRD)和Raman光谱表征膜层的结构,并用紫外可见近红外光谱仪测量其光透过率.实验结果表明,衬底温度、反应气压及射频功率对金刚石膜的结晶习性、表面粗糙度及光透过率均有很大程度的影响,其最佳值分别为700℃,2×133Pa和200W.在该最佳参量下经1h的生长即获得连续、平滑的纳米金刚石膜,其平均晶粒尺寸为约25 关键词： 纳米金刚石薄膜 射频等离子体增强热丝化学气相沉积 光透过率     

Ar+离子束轰击在石墨表面形成六方金刚石纳米晶的研究

在0.6keV Ar⁺高剂量(～10²²/cm²)辐照石墨表面,借助于高分辨透射电子显微镜(HRTEM),发现有六方金刚石纳米晶产生.它们的平均直径介于1—50nm之间,而且晶粒个数约随其直径的增大而直线减少.有趣的是,晶粒具有两种结构模式：直径小于10nm的晶粒为单晶结构,而直径大于10nm的为多晶结构.基于受离子轰击过程特点制约的六方金刚石晶粒成核和成长观点,讨论了这种双重结构的形成性质. 关键词： 离子轰击 六方金刚石纳米晶     

脉冲激光沉积无氢钨掺杂类金刚石膜的摩擦与机械性能

采用脉冲激光沉积技术制备出无氢钨掺杂非晶态类金刚石膜.膜中的钨含量与靶材中的钨含量保持稳定的线性关系,显示了脉冲激光沉积在难熔金属掺杂技术方面的亮点.由于碳-钨结构的形成和表面粗糙度影响,膜层的干摩擦系数随着钨含量的增加显现出先减后增的趋势,钨含量为9.67 at.%时达到最低值0.091.钨含量的增大降低了类金刚石膜纳米硬度和杨氏模量,但最佳的膜层耐磨性参数并非表现在硬度最大(52.2 GPa)的纯类金刚石膜中,而是出现在低掺杂含量(6.28 at.%)的类金刚石膜中.研究为脉冲激光沉积技术制备低摩擦、高硬度无氢钨掺杂类金刚石膜的应用提供了技术实践.     

丙酮环境下ECR微波等离子体辅助化学气相沉积类金刚石薄膜研究

利用电子回旋共振（ECR）微波等离子体辅助化学气相沉积技术、工作气氛为丙酮，在光学玻璃衬底上得到了光滑、致密、均匀的类金刚石薄膜.在工艺研究中，对等离子体中氧的存在及其作用进行了分析.原子力显微镜分析表明，薄膜的表面粗糙度小于10nm，晶粒 尺寸约为100nm.拉曼光谱和中红吸收谱研究发现，薄膜具有强烈的荧光效应，含有sp1，sp2，sp3杂化C—C，sp3杂化CH3，羰基CO、含氧多元 环以及—COOH基等.利用纳米力学探针以 及近红区红外透射谱分析了薄膜的力学及光学性能，结果表明，薄膜的显微硬度接近4 关键词： 类金刚石薄膜 ECR微波等离子体 丙酮气氛 红外光谱     

Modification of the physical properties of chemical vapor-deposited nanostructure diamond by argon-hydrogen plasma surface treatment

Nanostructure diamond (NSD) film with a hardness as high as 70 GPa and an average surface roughness of 10 nm has been synthesized by the two-step negative substrate bias method combined with post-growth Ar-H₂ plasma irradiation. The Ar-H₂ plasma irradiation has been confirmed to improve the uniformity of grain size and shape and increase the hardness of the NSD film.     

非平衡磁控溅射法类金刚石薄膜的制备及分析

利用非平衡磁控溅射物理气相沉积技术制备了光滑、致密、均匀的类金刚石薄膜.分析沉积工艺参数对所得类金刚石薄膜的电学特性的影响以及溅射粒子的大小、能量、碰撞及沉积过程中的相变机理后认为：溅射粒子越小、与环境气体分子的碰撞次数越多、与衬底相互作用时具有适当动量等，能够有效提高薄膜中sp^３杂化碳原子的含量.利用拉曼光谱 、纳米力学探针、红外光谱、扫描电镜等分析了所得类金刚石膜的结构、力学及光学性能、 表面形貌等特征.结果表明，类金刚石膜中sp^３杂化碳原子的含量较高，显微硬 度大于11GPa，薄膜光学透过率达到89.4％，折射系数为1.952，沉积速率为0.724μm/h，表 面光滑、致密、均匀，不存在明显的晶粒特征. 关键词： 非平衡磁控溅射 类金刚石膜 拉曼光谱 红外光谱     

Kinetic peculiarities of diamond crystallization in K-Na-Mg-Ca-Carbonate-Carbon melt-solution

The kinetic peculiarities of diamond crystallization in multicomponent K-Na-Mg-Ca-carbonate-carbon system have been studied in conditions of diamond stability at 1500–1800°C and 7.5–8.5 GPa. It has been established that the diamond phase nucleation density at a fixed temperature of 1600°C decreases from 1.3 × 10⁵ nuclei/mm³ at 8.5 GPa to 3.7 × 10³ nuclei/mm³ at 7.5 GPa. The fluorescence spectra of obtained diamond crystals contain peaks at 504 nm (H3-defect), 575 nm (NV-center), and 638 nm (NV-defect), caused by the presence of nitrogen impurity. In the cathodoluminescence spectra, an A-band with the maximum at 470 nm is present. The obtained data make it possible to assign the synthesized diamonds in the carbonate-carbon system to the mixed Ia + Ib type.     

In situ electrical resistance and activation energy of solid C_(60) under high pressure

The in situ electrical resistance and transport activation energies of solid C60 fullerene have been measured under high pressure up to 25 GPa in the temperature range of 300-423 K by using a designed diamond anvil cell. In the experiment, four parts of boron-doped diamond films fabricated on one anvil were used as electrical measurement probes and a W-Ta thin film thermocouple which was integrated on the other diamond anvil was used to measure the temperature. The current results indicate that the measured high-pressure resistances are bigger than those reported before at the same pressure and there is no pressure-independent resistance increase before 8 GPa. From the temperature dependence of the resistivity, the C60 behaviors as a semiconductor and the activation energies of the cubic C60 fullerene are 0.49, 0.43, and 0.36 eV at 13, 15, and 19 GPa, respectively.     

退火时间对硼掺杂纳米金刚石薄膜微结构和电化学性能的影响

采用高分辨透射电镜、紫外和可见光Raman光谱及循环伏安法研究了1000 ℃下退火不同时间的硼掺杂纳米金刚石薄膜的微结构和电化学性能. 结果表明,随退火时间的延长,薄膜中纳米金刚石晶粒尺寸逐渐减小.当退火时间为0.5 h时, 金刚石晶粒尺寸由未退火样品的约15 nm减小为约8 nm, 金刚石相含量增加;当退火时间为2.0 h时,金刚石晶粒减小为2—3 nm, 此时晶界增多,金刚石相含量减少;退火时间为2.5 h时纳米金刚石晶粒尺寸和金刚石相含量又略有上升.晶粒尺寸和金刚石相含量的变化表明薄膜在退火过程中发生了金刚石和非晶碳相的相互转变.可见光Raman光谱测试结果表明,不同退火时间下, G峰位置变化趋势与I_D/I_G值变化一致,说明薄膜内sp²碳团簇较大时, 非晶石墨相的有序化程度较高.退火0.5, 1.0, 1.5和2.0 h时, 电极表面进行准可逆电化学反应,而未退火和退火时间为2.5 h时电极表面进行不可逆电化学反应.退火有利于提高薄膜电极的传质效率, 退火0.5 h时薄膜电极的传质效率最高,催化氧化性能最好.较小的晶粒尺寸、 较高的金刚石相含量以及纳米金刚石晶粒的均匀分布有利于提高电极表面反应的可逆性和催化氧化性能.     

Effect of nanostructured AlN coatings on the oxidation-resistant properties of optical diamond films

Diamond film is an ultra-durable optical material with high thermal conductivity and good transmission in near-infrared and far-IR (8-14 μm) wavebands. CVD diamond is subjected to oxidation at temperature higher than 780 °C bared in air for 3 min, while it can be protected from oxidation for extended exposure in air at temperature up to 900 °C by a coating of aluminum nitride. Highly oriented AlN coatings were prepared for infrared windows on diamond films by reactive sputtering method and the average surface roughness (R_a) of the coatings was about 10 nm. The deposited films were characterized by X-ray diffraction (XRD) and atom force microscope (AFM). XRD confirmed the preferential orientation nature and AFM showed nanostructures. Optical properties of diamond films coated AlN thin film was investigated using infrared spectrum (IR) compared with that for as-grown diamond films.