掺杂CVD金刚石薄膜的应力分析

在不同实验条件下，用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在Si基体上制备了S掺杂和B-S共掺杂CVD金刚石薄膜，利用X射线衍射仪和拉曼光谱仪研究掺杂对CVD金刚石薄膜的应力影响.研究结果发现，随着S掺杂浓度的增加，薄膜中sp²杂化碳含量和缺陷增多，CVD金刚石薄膜压应力增加；小尺寸的B原子与大尺寸的S原子共掺杂时，微量B的加入改变了CVD金刚石薄膜的应力状态，共掺杂形成B-S复合体进入金刚石晶体后降低金刚石晶体的晶格畸变程度，减少S原子在晶界上偏聚数量和晶体中非金刚石结构相含量，降低由于杂质、缺陷及sp²杂化碳含量产生的晶格畸变和薄膜压应力，提高晶格完整性. 关键词： 金刚石薄膜 掺杂 应力     

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     

类金刚石薄膜力学特性的分子动力学模拟

基于Brenner的REBO势函数,利用分子动力学方法模拟了含氢量不同的类金刚石薄膜的纳米压痕过程,依据得到的加载卸载曲线,计算了薄膜的刚度、硬度以及弹性模量.结果表明:类金刚石薄膜的硬度由氢含量和sp³键含量两个因素共同决定;当薄膜中氢含量小于39% 时,薄膜硬度主要取决于sp³键含量,sp³键越多,硬度越高;当薄膜中氢含量达到52%,薄膜硬度则显著下降,此时氢的作用占据主导地位. 关键词： 类金刚石薄膜 分子动力学模拟 纳米压痕 硬度     

类金刚石薄膜在硅基底上的沉积及其热导率

采用分子动力学方法模拟了碳在晶体硅基底上的沉积过程, 并分析计算了所沉积的类金刚石薄膜的面向及法向热导率. 对沉积过程的模拟表明, 薄膜密度及sp³杂化类型的碳原子所占比例均随沉积高度的增加而减小, 在碳原子以1 eV能量垂直入射的情况下, 在硅基底上沉积的薄膜密度约为2.8 g/cm³, sp³杂化类型的碳原子所占比例约为22%, 均低于碳在金刚石基底上沉积的情况. 采用Green-Kubo方法, 计算了所沉积类金刚石薄膜的热导率, 其面向热导率可以达到相同尺寸规则金刚石晶体的50%左右, 并且随着薄膜密度与sp³杂化类型碳原子所占比例的升高而升高.     

氢的强化刻蚀对金刚石薄膜品质的影响与sp2杂化碳原子的存在形态

用化学气相沉积方法制备了金刚石薄膜.在制备过程中，通过间歇式关闭甲烷气体，强化了氢对sp2杂化碳原子的刻蚀.用拉曼光谱和金相显微镜对薄膜进行了分析表征.结果表明，氢对sp2杂化碳原子的强化刻蚀并未影响金刚石薄膜的品质和微观结构.这一结论说明，在金刚石薄膜中，sp2杂化碳原子主要存在于金刚石晶粒表面和晶界碳原子之间,而不是以石墨或无定形碳颗粒为主要存在方式. 关键词： 化学气相沉积 金刚石薄膜 拉曼光谱 强化刻蚀     

含氮氟化类金刚石(FN-DLC)薄膜的研究：(Ⅰ) sp结构与化学键分析

以CF₄，CH₄和N₂为源气体，利用射频等离子体增强化学气相沉积法，在不同功率下制备了含氮氟化类金刚石膜.用俄歇电子能谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱对薄膜的电子结构和化学键进行了表征，并结合高斯分峰拟合方法分析了薄膜中sp²，sp³结构比率.结果表明，制备的薄膜属于类金刚石结构，不同沉积功率下，薄膜内的sp²/sp³值在2.0—9.0之间，随着沉积功率的增加薄膜内sp²的相对含量增加.膜内主要有C—F_x(x=1，2)，C—C，C=C和C≡N等化学键.沉积功率增加，C—C基团增加，膜内F的浓度降低，C—F基团减少，薄膜的关联加强，稳定性提高. 关键词： 含氮氟化类金刚石膜 sp结构 化学键结构 射频功率     

晶粒尺寸及衬底应力对铁电薄膜特性的影响

考虑衬底应力、畴壁运动和畴结构变化, 建立了修正的Landau-Devonshire热力学模型, 计算了生长在不同衬底上的含有纳米晶粒的PbZr_0.4Ti_0.6O₃(PZT)薄膜的电滞回线, 研究了矫顽场、剩余极化强度和相对介电常数对晶粒尺寸以及薄膜厚度的依赖关系. 结果表明, 矫顽场和相对介电常数对晶粒尺寸的依赖关系呈类抛物线状;衬底压应力使矫顽场和剩余极化强度增大, 使相对介电常数减小;随着厚度增加, 矫顽场先缓慢增加, 到200 nm 关键词： 铁电体 晶粒尺寸 衬底应力 薄膜厚度     

斜入射离子束辅助沉积对类金刚石薄膜结构影响的分子动力学模拟

采用分子动力学（MD）模拟方法,从原子尺度上研究了离子束辅助沉积（IBAD）类金刚石（DLC）薄膜过程中离子束入射角对薄膜结构的影响.重点讨论了不同的离子束入射角所对应的薄膜表面模型,平均密度和sp³键含量.结果表明,离子束斜入射加强了入射原子的水平动能,从而加强了原子水平迁移;Ar离子斜入射时C原子迁移率均比垂直入射大,薄膜密度和sp³键含量都比垂直入射小.不同的离子束入射角随着到达比和入射能的变化,对薄膜结构的影响不同.离子束斜入射时可以得到不同结构的膜. 关键词： 类金刚石薄膜 入射角 离子束辅助沉积 分子动力学模拟     

Al2O3陶瓷衬底碳离子预注入对金刚石薄膜应力的影响研究

通过对Al2O3陶瓷衬底进行碳离子预注入，大大降低了Al2O3陶瓷衬底上金刚石薄膜的应力，且金刚石薄膜中的压应力随碳离子注入剂量的增加而线性下降.通过对Al2O3陶瓷衬底注入前后的对比分析表明，高能量的碳离子注入Al2O3陶瓷衬底以后，并没有产生过渡层性质的新相，而是大量累积在Al2O3晶格的间隙位，使Al2O3晶格发生畸变.而且，随着碳离子注入剂量的增加，Al2O3基体内晶格畸变加剧，注入层残余压应力也随之上升.当金刚石薄膜沉积以后，在降温的过程中衬底这部分残余应力得到释放，从而部分弛豫了金刚石薄膜中的 关键词： 金刚石薄膜 应力 离子注入 Al2O3陶瓷     

金刚石表面无定形碳氢薄膜生长的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了CH₂基团轰击金刚石(111)面所形成的无定形碳氢薄膜(a-C:H)的生长过程. 结构分析表明, 得到的无定形碳氢薄膜中碳原子的局域结构(如C–C第一近邻数)与其中氢原子的含量密切相关. CH₂ 基团入射能量的增加会导致得到的薄膜的氢含量降低, 从而改变薄膜中类sp³成键碳原子的比例.     

Synthesis of thin diamond films from faceted nanosized crystallites

Diamond films consist of crystallites having nanometer grains were deposited using low methane concentration by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD). The results show that films consist of nanodiamond grains with grain sizes ranging from 20 nm to 200 nm having thickness dependent size. Increasing the deposition time, the grain size increases and hence the thickness of the film increases. The diamond nucleation (nucleation density 10¹⁰ cm⁻²) is comparable to that obtained by biasing the substrate. The use of low methane concentration for the formation of nano crystallites improves the quality of the film as indicated by Raman spectroscopy. The distance between the filament and substrate is increased while maintaining the substrate temperature. The effects of this large separation on the gas phase chemistry are discussed which helps to understand the reduced size of the crystallites under input gas ratios when microcrystallines are obtained.     

超薄类金刚石膜生长和结构特性的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法研究了2—3nm厚的类金刚石(DLC)薄膜在金刚石基体(100)表面上的生长过程. 分析了用来表征沉积后无定型碳膜质量的重要结构特性，如sp³杂化比例、薄膜密度、径向分布函数等，计算结果和现有的实验结果基本一致. 不同入射原子能量对结构特性进而对薄膜性能有重要影响，入射原子能量在20—60eV时，薄膜可以获得最优性能. 载能原子入射是生长均匀、连续、致密固体薄膜的前提，稳定的中间区域对于保证薄膜优良的力学性质是必需的. 关键词： DLC膜 分子动力学模拟 3杂化比例')" href="#">sp³杂化比例     

Effects of hydrogen and oxygen on the electrochemical corrosion and wear-corrosion behavior of diamond films deposited by hot filament chemical vapor deposition

A diamond film was deposited on silicon substrate using hot filament chemical vapor deposition (HFCVD), and H₂ and O₂ gases were added to the deposition process for comparison. This work evaluates how adding H₂ and O₂ affects the corrosion and wear-corrosion resistance characteristics of diamond films deposited on silicon substrate. The type of atomic bonding, structure, and surface morphologies of various diamond films were analyzed by Raman spectrometry, X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM). Additionally, the mechanical characteristics of diamond films were studied using a precision nano-indentation test instrument. The corrosion and wear-corrosion resistance of diamond films were studied in 1 M H₂SO₄ + 1 M NaCl solution by electrochemical polarization. The experimental results show that the diamond film with added H₂ had a denser surface and a more obvious diamond phase with sp³ bonding than the as-deposited HFCVD diamond film, effectively increasing the hardness, improving the surface structure and thereby improving corrosion and wear-corrosion resistance properties. However, the diamond film with added O₂ had more sp² and fewer sp³ bonds than the as-deposited HFCVD diamond film, corresponding to reduced corrosion and wear-corrosion resistance.     

The effects of temperature on nanocrystalline diamond films deposited on WC-13 wt.% Co substrate with W-C gradient layer

A tungsten-carbide gradient coating (WCGC) was prepared by reactive sputtering as an intermediate layer on the cemented carbide, WC-13 wt.% Co, substrate to improve the nucleation, smoothness and adhesion of diamond film. The diamond film was deposited by hot filament chemical vapor deposition (HFCVD). The effects of the substrate temperature on the WCGC and the diamond film were investigated. The characterization of the WCGC and the diamond films was analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), micro-Raman spectroscopy and Rockwell hardness indentation. It is found that the WCGC plays an important role in improving the nucleation, smoothness and adhesion of diamond film; and the diamond films exhibit better quality and adhesion as substrate temperature increases during the CVD processes.     

W过渡层结合界面对金刚石薄膜在WC-6%Co上的附着力的影响

 在微波等离子体化学气相沉积装置中,采用负偏压形核等方法,研究两种不同的W过渡层/基体结合界面对金刚石薄膜与WC-6%Co附着力的影响。采用氢等离子体脱碳、磁控溅射镀W、高偏压碳化等方法,在YG6衬底表面形成化学反应型界面,W膜在碳化时和基体WC连为一体,极大地增加了W膜与基体的附着力,明显优于直接镀钨、碳化形成的物理吸附界面。在高负偏压下碳化,能提高表面粗糙度,增加膜与基体机械钳合,而负偏压形核增加核密度,从而增加膜与基体的接触面积,结果极大地提高了金刚石薄膜的附着力。     

沉积工艺条件对金刚石薄膜红外椭偏光学性质的影响

采用红外椭圆偏振光谱仪对不同工艺条件下制备的CVD金刚石薄膜在红外波长范围内的光学参量进行了测量，分析了工艺条件对金刚石薄膜红外光学性质的影响.获得了最佳的沉积工艺参数，优化了薄膜的制备工艺.结果表明薄膜的折射率和消光系数与薄膜质量密切相关，当温度为750℃，碳源浓度为0.9%和压强为4.0 kPa时，金刚石薄膜的红外椭偏光学性质最佳，折射率平均值为2.385，消光系数在10^-4范围内，在红外波段具有良好的透过性. 关键词： 薄膜光学 红外光学性质 工艺条件 金刚石薄膜     

沉积温度对钛硅共掺杂类金刚石薄膜生长、结构和力学性能的影响

采用中频磁控溅射Ti80Si20复合靶在单晶硅表面制备了共掺杂的类金刚石薄膜.研究了沉积温度对薄膜生长速率、化学成分、结构、表面性质和力学性能的影响.结果表明:随沉积温度升高,薄膜生长速率降低,薄膜Ti和Si原子浓度增加,C原子浓度降低;在高温下沉积的薄膜具有低sp3C含量、低表面接触角、低内应力和高的硬度与弹性模量.基于亚表层注入生长模型分析了沉积温度对薄膜生长和键合结构的影响,从薄膜生长机制和微观结构解释了表面性质和力学性能的变化.     

Synthesis of micro- or nano-crystalline diamond films on WC-Co substrates with various pretreatments by hot filament chemical vapor deposition

Diamond films deposited on tungsten carbide can lead to major improvements in the life and performance of cutting tools. However, deposition of diamond onto cemented tungsten carbide (WC-Co) is problematic due to the cobalt binder in the WC. This binder provides additional toughness to the tool but results in poor adhesion and low nucleation density of any diamond film. A two-step chemical etching pretreatment (Murakami reagent and Caro acid, (MC)-pretreatment) and a boronization pretreatment have both been used extensively to improve adhesion of CVD diamond film on WC-Co substrates. Here we discuss the applicability of MC-pretreatment for a range of Co-containing WC-Co substrates, and demonstrate a controlled synthesis process based on liquid boronizing pretreatment for obtaining smooth and dense micro- or nano-crystalline diamond films on high Co-containing WC-Co substrates. Substrate treatments and deposition parameters were found to have major influences on the smoothness, structure and quality of the diamond films. The best quality diamond films were achieved under conditions of relatively high substrate temperature (T_s) and the best adhesion was achieved at T_s = 800 °C.     

化学气相沉积法制备金刚石膜截面微区Raman分析

采用微区Raman散射分析方法研究化学气相沉积法制备的金刚石膜的横截面.金刚石膜从衬底面到生长面不同位置具有不同特征的Raman谱,依此对膜中的金刚石、石墨和非晶碳成分进行分析.衬底面附近区域对应金刚石膜生长过程的成核阶段,非晶碳成分含量较高,相应于1200—1600cm^-1波段较大的散射强度和存在较强的荧光背底.膜厚增大,非晶碳成分中sp³结构成分首先减少,而sp²结构成分和石墨成分的减少相对缓慢.而生长面附近区域只有比较单纯的晶体金刚石 关键词：