大面积自支撑CVD金刚石厚膜的应力研究

在HFCVD系统中制备了直径为φ100 mm的自支撑CVD金刚石厚膜,利用XRD研究了自支撑CVD金刚石厚膜的应力.结果显示制备的大面积自支撑CVD金刚石厚膜处于较低的应力水平,应力分布较均匀,生长面应力状态为压应力,成核面应力状态为张应力.     

硼掺杂金刚石薄膜研究

硼掺杂是改善金刚石薄膜电阻率的有效手段,被认为是将金刚石薄膜用于制备电化学电极的途径.本文通过CVD法在单晶硅片上制得掺硼金刚石薄膜(BDD),并采用四点探针、扫描电镜、激光拉曼和电化学工作站对之进行检测,发现随着硼掺入量的增加,薄膜电阻率逐渐降低,重掺杂时可达2.0×10-3Ω·cm.同时金刚石薄膜的固有质量出现恶化,表现为金刚石晶粒的碎化以及拉曼观察到的薄膜内应力的增加和非金刚石峰的出现.对薄膜电极进行电化学测量发现BDD电极在酸性溶液中具有非常宽的电位窗口和高的阳极极化电位,且背景电流极低.     

渗硼高速钢表面CVD金刚石膜制备研究

直接在高速钢表面生长CVD金刚石非常困难.为了克服高速钢中Fe元素对金刚石生长的不利影响,在高速钢表面利用渗硼技术先生成B、Fe的化合物的中间层然后再制备CVD金刚石膜.采用显微维氏硬度计、XRD衍射仪、扫描电子显微镜、激光拉曼光谱和洛氏硬度计对渗硼基体和金刚石膜进行检测,研究渗硼处理对高速钢基体和金刚石膜生长的影响.结果表明:渗硼热处理可以在高速钢表面形成一层致密的B、Fe化合物层,能有效降低Fe元素的不利影响,有利于金刚石的生长,在高速钢表面形成一层高附着的致密金刚石膜.     

P型掺杂金刚石厚膜的电火花加工

CVD金刚石具有和天然金刚石相近的一系列独特的力学、热学、声学、电学、光学和化学性能,在航空、航天、国防等高科技领域具有广阔的应用前景.但是,普通CVD金刚石膜是绝缘体,无法直接进行电加工.本文在分析了电火花加工半导体材料去除速率的基础上,通过掺硼对CVD金刚石厚膜进行半导体改性,继而实现了其电火花加工.通过研究,建立了掺硼金刚石厚膜电火花加工去除速率的经验公式.最后,通过Raman和SEM分析对CVD金刚石厚膜的电火花加工机理进行了初步探讨.     

双辉等离子体表面冶金金属化CVD金刚石自支撑膜研究

采用双辉等离子表面冶金技术,在金刚石自支撑膜表面制备了W金属层.借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X-射线衍射仪(XRD)等分别对金属化后的金刚石膜的微观形貌、元素分布及物相组成进行了表征与分析;并通过测试Ag-Cu钎焊的金刚石膜-硬质合金刀片样品的剪切强度,评价金属层与金刚石膜的结合强度.实验结果表明:所制备的W金属层连续、致密,由大量纳米尺度的颗粒状团聚物构成;在金属层与金刚石界面一定深度区域内,存在W和C元素的相互扩散,并且反应生成了WC、W2C等金属碳化物颗粒,表明金属层与金刚石膜之间已形成了牢固的化学键合.     

维生素B6在修饰掺硼金刚石薄膜电极上的测定

用直流等离子体喷射化学气相沉积法制备掺硼金刚石(BDD)薄膜,通过扫描电子显微镜表征薄膜的表面形貌.对比维生素B12、氨基黑10B和亚甲基蓝三种物质修饰BDD电极,选择电催化氧化能力最强的氨基黑10B修饰的BDD电极作为检测电极,其氧化峰电流与维生素B6浓度的对数在1.0×10-10～1.0×10-4mol/L范围内呈良好的线性关系,且检测限为1.0×10-11 mol/L.该修饰电极可用于片剂中维生素B6含量的检测.     

高质量硼掺杂单晶金刚石同质外延及电学性质研究

突破高质量、高效金刚石掺杂技术是实现高性能金刚石功率电子器件的前提。本文利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,以三甲基硼为掺杂源,制备出表面粗糙度0.35 nm,XRD(004)摇摆曲线半峰全宽28.4 arcsec,拉曼光谱半峰全宽3.05 cm^-1的高质量硼掺杂单晶金刚石。通过改变气体组分中硼元素的含量,实现了10¹⁶~10²⁰ cm^-3的p型金刚石可控掺杂工艺。随后,研究了硼碳比、生长温度、甲烷浓度等工艺条件对p型金刚石电学特性的影响,结果表明:在硼碳比20×10^-6、生长温度1 100 ℃、甲烷浓度8%、腔压160 mbar(1 mbar=100 Pa)时p型金刚石迁移率达到207 cm²/(V·s)。通过加氧生长可以提升硼掺杂金刚石结晶质量,降低杂质散射。当氧气浓度为0.8%时,样品空穴迁移率提升至 614 cm²/(V·s)。     

高温高压金刚石衬底上的同质外延生长研究

在自主研发的小功率微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置上利用高温高压(HPHT)单晶金刚石片为衬底进行了金刚石同质外延生长的研究.研究了甲烷浓度、工作气压对金刚石生长速率的影响.测量了金刚石外延 生长过程中等离子体的发射光谱,利用扫描电子显微镜(SEM)和数码相机对生长前后金刚石的形貌进行了表征,利用激光拉曼光谱对金刚石的质量进行了分析.结果表明:一定程度内,适当升高工作气压和甲烷浓度能够有效提高金刚石的生长速率;在外延生长过程会产生过多的丘状体,导致许多金刚石颗粒的产生,影响其生长时间和质量,通过生长、刻蚀相结合的方法能够有效延长生长时间,改善生长形貌;外延生长出的金刚石的激光拉曼图谱中金刚石1332 cm-1特征峰明显、尖锐,荧光背底低,非金刚石相特征峰较低.     

掺硼金刚石膜研究进展及应用

掺硼金刚石在原有金刚石高硬度、高稳定性、良好的生物相容性等优良性能的基础上,具有半导体甚至低温超导特性,以及宽的电化学势窗、低背景电流等电化学优势.目前,掺硼金刚石膜被公认为是极佳的电化学电极材料,大量研究工作集中在硼的掺杂方式、掺硼金刚石膜微观形貌控制、掺硼金刚石膜表面修饰等方面,以优化掺硼金刚石膜的性能,拓展其应用...     

直流电弧等离子体区域电弧分布特征对自支撑金刚石膜性质的影响

直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜时,电弧区域可分为弧心、弧干和弧边三个区域.本文运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光Raman光谱、正电子湮没寿命谱(PAL)和力学性能实验机研究了同一块自支撑金刚石膜不同区域的生长面形貌、晶体取向、内应力、空位缺陷和断裂强度.结果表明:随着与直流电弧等离子体弧心距离增加金刚石膜生长更稳定,(220)取向晶粒减少,平均空位缺陷减少,内应力和断裂强度呈现先增大后减小的趋势.     

锌添加对大尺寸硼掺杂金刚石生长的影响

采用高温高压法在NiMnCo体系下,通过添加低熔点金属锌合成出硼掺杂金刚石晶体.探究锌添加剂对硼掺杂金刚石晶体合成条件、形貌、颜色的影响.实验结果表明在NiMnCo体系中,随着锌添加量增加,硼掺杂金刚石的合成压强和温度明显提高,晶体的颜色逐渐变黑;红外吸收光谱显示,随着锌添加量的增加,氮杂质特征吸收峰1130 cm-1和1344 cm-1逐渐消失,氮杂质含量降低至消失;1290 cm-、2460 cm-1、2800 cm-1硼相关吸收峰增强,即硼杂质的含量逐渐增多.在传统NiMnCo触媒体系下,锌的添加有利于硼原子进入金刚石晶格中去,本工作为合成高质量硼掺杂金刚石提供新的思路.     

直流等离子体喷射制备无裂纹自支撑金刚石膜体的晶体组织设计

在自支撑金刚石膜体中发现网状、河流状和环状三种裂纹形式,这几种裂纹形式依沉积温度不同而不同.首次采用了原子力显微镜分析了金刚石自支撑膜体裂纹断裂机制,发现了穿晶断裂和沿晶断裂两种机制,其中,在网状裂纹中,穿晶断裂机制占主要地位;环状裂纹中,沿晶断裂机制占主要地位,而河流状裂纹是两种机制的混合.对应X射线衍射结果,(111)晶面占优的膜体易于开启穿晶断裂机制,(220)晶面占优的膜体易于开启沿晶断裂机制.使用Raman 谱测试的膜体中的本征应力在几十到几百MPa之间,且在膜体中存在应力剖面分布.Raman谱的结果还显示低缺陷的膜体组织有利于阻挡裂纹扩展.通过建立简单力学分析模型,推测了膜体组织对断裂强度的作用.根据实验结果和力学模型,制备了最厚2mm、最大直径120mm的无裂纹自支撑金刚石膜.     

细胞色素c在硼掺杂金刚石电极上的电化学特性研究

采用直流电弧等离子体喷射设备制备掺硼金刚石(BDD)电极.并用扫描电镜及拉曼光谱分析了薄膜的表面形貌及薄膜品质,测试结果表明,掺硼金刚石薄膜表面结构排列紧密.使用BDD电极研究细胞色素c的直接电化学特性,结果表明在磷酸盐缓冲液中细胞色素c(Cytc)在BDD电极上呈现一对峰形较好的氧化还原峰,峰电流与扫速的平方根呈线性关系,且与细胞色素c浓度在5～50μmol·L-范围内近似呈线性关系.     

直流等离子体喷射CVD技术制备自支撑金刚石膜的新结构和新形貌

采用30kW高功率直流等离子体喷射CVD技术制备了自支撑金刚石膜的新型结构,通过使甲烷与氢气的浓度比随沉积时间变化的方法,制备了两层、三层和四层结构.扫描电镜结果显示所制备的层结构是由柱状晶和非常细晶粒组成的,而拉曼谱结果表明这层细晶粒具有纳米金刚石的激光散射特征.在甲烷与氢气的浓度比超过15;的沉积条件下,我们发现一种新形貌,这种形貌是由具有非常好的刻面的晶粒构成的.     

微波等离子体同质外延修复金刚石的研究

用微波等离子体化学气相沉积法同质外延生长了有缺陷的金刚石颗粒.在同质外延之前,研究了温度因素对金刚石生长表面形貌的影响,研究表明适宜金刚石同质外延的温度范围非常窄,在1030℃左右;温度低于920℃,大尺寸的金刚石单晶颗粒就很难得到,二次形核现象变的很严重.在实验得出的优化温度条件下,对表面有缺陷的天然金刚石进行了同质外延生长,用扫描电子显微镜(SEM)观察发现,原来金刚石表面的裂缝被修复,外延生长速率达到10.3μm/h.     

硼和氮掺杂金刚石单晶的合成与Raman光谱研究

氮(N)元素和硼(B)元素为金刚石晶体中常见的两种杂质元素,它们对金刚石的物理化学性质有着重要的影响.本文使用高温高压温度梯度法合成了分别含有氮和硼杂质的金刚石单晶,并使用Raman光谱对晶体进行分析研究.研究发现:随着金刚石生长体系内杂质的引入,晶体的质量变差;当生长体系含有氮杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向低波数偏移,晶体的应力表现为拉应力;当生长体系含有硼杂质时,生长的含氮金刚石晶体的特征峰谱线向高波数偏移,晶体的应力表现为压应力.本研究将有助于丰富金刚石单晶掺杂的认识.     

直流电弧等离子体喷射CVD硼掺杂金刚石薄膜的制备及电化学性能研究

采用直流电弧等离子体喷射CVD(Chemical Vapor Deposition)法在硅(100)衬底上制备了(111)占优的掺硼金刚石(BDD)薄膜,研究了压强对薄膜生长的影响,在压强为5500Pa时得到了(100)占优的金刚石薄膜,并用SEM、XRD及拉曼光谱分析了薄膜的表面形貌、晶体结构、薄膜品质.测试结果表明,掺硼金刚石膜具有较好的成膜质量.霍尔测试表明BDD的电阻率为0.0095Ω·cm,载流子浓度为1.1×1020 cm-3;研究了BDD薄膜电极在硫酸钠空白底液、铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液和多巴胺溶液中的循环伏安曲线(CVs),发现该金刚石薄膜电极在硫酸钠中具有较宽的电化学窗口(约为4V)、接近零的背景电流和良好的可逆性,利用BDD电极检测多巴胺溶液,具有明显的氧化还原峰值和较好的稳定性.结果表明利用该方法制备的BDD电极在电化学检测方面具有明显的优势.     

C60膜上金刚石的成核与生长形貌研究

本文研究了HFCVD系统中覆盖有C60膜的Si(100)衬底上金刚石的成核与形貌特征.结果表明,C60能大幅度提高金刚石成核密度;C60氢化预处理能大幅度促进金刚石成核,但要合理控制CH4的浓度和预处理时间;随衬底温度的升高,金刚石晶粒由球状变为菜花状聚晶.