直流等离子体法中脱膜开裂的金刚石膜组织结构分析

为了解决用直流等离子体喷射法制备金刚石膜在脱膜过程中膜体开裂的问题,本文对3组脱膜开裂的金刚石膜组织结构进行了分析,发现由热应力作用产生的裂纹形貌随沉积温度的不同而呈现网状、河流状和环状,裂纹尖端的膜体具有最小的Raman 谱峰半高宽值.在所研究的温度范围内,膜体断口都是穿晶断裂和沿晶断裂的混合断口,而且断口面中的占优晶面都是{111}晶面.X射线和Raman谱结果还表明沉积温度愈高,膜体中的残余应力愈大.     

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.     

微/纳米多层金刚石自支撑膜的制备及生长特性的研究

在30kW级直流电弧等离子喷射化学气相沉积装置下,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在钼衬底上分别制备了普通微米自支撑膜及多层金刚石自支撑膜并对其进行研究.结果显示,同普通微米膜相比,多层膜体是由微米晶金刚石层和纳米晶金刚石层组成,表面光滑,微米层与纳米层间具有相互嵌套式的界面;多层膜中各层膜体的内应力沿生长方向有明显变化,出现一个从压应力到拉应力变化的过程;在沉积过程中,随着层数变化,膜体的生长速率也发生相应的变化.     

DC Plasma Jet CVD金刚石自支撑膜体结构的控制生长及其表面粗糙度的研究

在100kW级DC Plasma Jet CVD设备上,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在Mo衬底上获得不同占优晶面和应力状态的膜体结构.研究表明:不同取向的晶面在膜体中的分布不同,但各晶面随沉积温度的变化规律是相似的,在900℃左右容易获得较大的(220)晶面占优的膜体结构;薄膜的内应力沿晶体生长方向逐渐减小,且随沉积温度或甲烷浓度的增大而增大;具有高取向度的膜体将获得较为平整的表面.     

微纳米复合金刚石自支撑膜的制备及微观结构的研究

在30 kW级直流电弧等离子喷射化学气相沉积装置下,采用Ar-H2-CH4混合气体,通过控制工艺参数,在多晶钼衬底上制备了微纳米复合多层金刚石自支撑膜.采用拉曼光谱对其进行成份分析、SEM观察膜体表面形貌,采用聚焦离子束(FIB)技术对其进行原位刻蚀,用高分辨电镜观察对其进行微观表征.结果显示,同普通微米膜相比,多层膜体是由微米晶金刚石层和纳米晶金刚石层组成,表面光滑,微米层与纳米层间具有相互嵌套式的界面,微/纳米复合多层金刚石自支撑膜中包含有纳米级金刚石晶粒、微米级金刚石晶粒和无定形碳.     

直流电弧等离子喷射CVD中控制生长(111)晶面占优的金刚石膜

运用光发射谱(OES)技术对大功率直流电弧等离子喷射CVD金刚石膜的气相沉积环境进行了原位诊断,研究了气相环境中主要含碳基团的浓度及分布与沉积参数的关系,发现了C2基元比其他基元对沉积参数更加敏感.利用光发射谱对C2基元发射强度的监测,实时调控沉积各参数,在大功率直流电弧等离子喷射CVD中实现了(111)晶面占优的金刚石膜的可控生长,I(111)/I(220)XRD衍射峰强度的比值达48.     

用镀有钛过渡层的钼衬底制备无裂纹自支撑金刚石膜

为了解决金刚石膜脱膜开裂的问题,尝试了一种复合衬底,即镀有钛过渡层的钼衬底.利用直流等离子体喷射法在复合衬底上制备了不同厚度无裂纹的自支撑金刚石膜.用扫描电镜(SEM)、拉曼谱和X射线衍射表征金刚石膜的特征,并检测了其断裂强度.结果表明,用复合衬底制备的金刚石膜在950℃具有最小半高宽,在实验温度下所获得的金刚石自支撑膜的断裂强度均超过了500MPa.     

不同结构金刚石涂层刀具的制备及性能参数优化

利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)法,选取最佳工艺参数,在硬质合金刀具上制备微米、纳米及微/纳米金刚石复合涂层,采用SEM、Raman光谱、XRD测试分析涂层的表面形貌和化学纯度.结果显示,微米金刚石涂层结晶质量好,晶面取向以(111)(220)为主且金刚石纯度很高,纳米金刚石涂层表面光滑无明显择优取向,微/纳米复合涂层聚具有两种涂层的优点.采用压痕法、划痕法、微粒冲浆喷蚀(MSE)法对涂层的膜/基结合力及耐磨性进行测定.结果显示微米金刚石涂层的膜/基结合力最好,纳米金刚石涂层的最差.微/纳米金刚石复合涂层的耐磨性最好,纳米金刚石涂层的耐磨性最差.     

高质量金刚石膜在无氧铜衬底上的MPCVD

本文采用高纯无氧铜(Cu)片作为基片,用自行设计的微波等离子体化学气相沉积系统,制备出了高质量多晶金刚石膜.用场发射扫描电子显微镜(SEM)、Raman散射谱和X射线衍射谱(XRD)对制备的金刚石膜进行了表征与分析,其结果证明金刚石膜具有较优的质量.     

利用发射电子法经由热灯丝CVD在Si(100)上合成局域异质外延金刚石膜

本文利用发射电子法经由热灯丝CVD在Si(100)上获得了局域异质外延金刚石膜.由Raman背散射强度(在1332cm-1处)旋转角依赖关系表明,金刚石膜与Si(100)的定向关系为dia(100)∥Si(100)和dia[110]∥Si[110].在金刚石膜的成核阶段,位于衬底和灯丝之间的电极相对于灯丝施加一负偏压,获得的金刚石膜用扫描电镜和Raman谱表征.对实验结果进行了简要的讨论.     

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.     

高功率CO2激光器CVD金刚石窗口制备研究

本文研究制备了可应用于高功率CO₂激光器的CVD金刚石窗口。首先使用环形天线-椭球谐振腔式MPCVD装置沉积制备直径2英寸(1英寸=2.54 cm)金刚石自支撑膜,然后将膜片双面抛光,激光切割成矩形基片,再采用蒸镀法在基片表面制备中心波长在10.6 μm的增透膜,最终制备得到金刚石光学窗口。采用傅里叶红外透射谱、热导仪、爆破试验台测试了金刚石基片镀膜前后的红外透过率、热导率和爆破强度。利用自行搭建的光学平台,测试了CVD金刚石基片增透膜能承受的激光功率密度。结果显示CVD金刚石基片在10.6 μm处的透过率为70.9%,利用光谱计算的吸收系数为0.06 cm^-1,热导率＞19.5 W/(cm·K),爆破强度＞5.62 MPa,镀膜后的透过率为99.2%,增透膜可承受的激光功率密度＞995 W/mm²。     

ZrO2对热压AlN陶瓷的显微结构与力学性能的影响

通过添加纳米ZrO2粉体,并结合Y2O3烧结助剂,采用热压烧结制备了AlN陶瓷.结果表明,加入ZrO2后,热压AlN陶瓷的物相包含AlN主相、Al5Y3O12晶界相以及ZrN新相.随着ZrO2的加入,热压AlN陶瓷的维氏硬度基本没有变化,然而其断裂韧性逐渐提高.这主要是由于添加的ZrO2与AlN发生高温反应生成了ZrN,导致AlN陶瓷从单一的沿晶断裂模式转变为包含沿晶和穿晶的混合断裂模式,强化了晶界,进而改善了断裂韧性.     

BN织构陶瓷的制备与力学性能研究

以片状的BN为基体粉料,采用流延成型工艺结合热压烧结制备BN织构陶瓷,并对其结构、断面形貌以及力学性能进行了研究.实验结果表明,BN晶粒选择沿(002)晶面择优定向排列.织构陶瓷的力学性能呈现出明显的各向异性: 当加载方向垂直于片层时,弯曲强度和断裂韧性分别为53.75 MPa 和1.51 MPa·m1/2,均优于水平方向的力学性能.垂直方向上良好的性能归因于加载时片状颗粒引起的裂纹偏转.     

Growth feature of layered self-standing diamond films by DC arc plasma jet CVD

Layered self-standing diamond films, two-, three- and four-layered films, were fabricated by varying the ratio of methane to hydrogen in high-power DC arc plasma jet CVD. Results of scanning electronic microscopy (SEM) and Raman spectra showed that the layered films were constructed by the micro-crystalline grains layer/nano-crystalline grains layer. The residual stress within the films were balanced, and even diminished in the certain layer. The grain size was calculated by X-ray diffraction (XRD). The layer containing nanocrystalline grains due to a plenty of secondary nucleation can weakly inherit the columnar growth feature of the overlaid layer containing micro-crystalline grains. The grain size and growth orientation of the layer containing micro-crystalline grains can be adjusted by introduction of a mid-layer containing nano-crystalline grains. Growth rate was over 10 mm/h in layered film fabrication.     

人造金刚石单晶薄膜的制备及表面形貌优化

人造金刚石作为一种高效的热管理衬底,在宽禁带半导体电子器件领域具有广泛的应用前景。然而微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法外延金刚石单晶的生长速率慢,表面粗糙度高,难以满足半导体器件的衬底需求。对此,本文采用MPCVD法制备金刚石单晶薄膜,通过分阶段生长监控样品的生长速率,结合显微镜照片和AFM表征样品的表面形貌和表面粗糙度,根据拉曼光谱和XRD分析外延薄膜的晶体质量,最终采用高/低甲烷浓度的两步法外延工艺,实现了金刚石单晶薄膜的高速外延,生长速率达到20 μm/h,同时获得了较为平整的表面形貌。本文所研究的甲烷调制两步法外延工艺能够起到表面形貌优化的作用,有利于在后续的相关器件研发中提供平整的金刚石衬底,推动高功率电子器件的发展。     

Diamond Synthesis by Thermal Plasma Chemical Vapour Deposition (TP-CVD)

This paper reviews results about diamond synthesis by high-temperature pyrolysis of methane in a H₂/Ar-plasma. By means of a modified direct-current (DC) plasma torch with an arc power of 4–8 kW diamond growth rates in the order of about 70 μm/h were obtained. Diamond films grown on unscrached single-crystalline silicon have a diameter of about 8 mm. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffractometry (XRD), and Raman scattering spectroscopy have been used to analyse diamond films characterized by a transition of a crystalline diamond centre to an amorphous random region by passing a fine-crystalline region. In the film centre (100) planes with an average size of about 25 μm were made out by SEM.     

电铸自支撑金刚石-镍复合膜的制备

用电铸方法,采用低应力电镀液,制备出了自支撑金刚石-镍复合膜.电镀液PH值3.8-4.2,温度40～60℃,阳极与阴极间距100～150mm.用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)方法检测了复合膜的表面形貌、晶体显微结构和复合膜中金刚石颗粒的分布情况.结果表明:阴极电流密度对自支撑金刚石-镍复合膜的品质影响很大,当阴极电流密度从1.3 A/dm2增加到3.3 A/dm2时,复合膜的显微应变从0.36;减小到0.28;;随着阴极电流密度的增加,复合膜中金刚石颗粒的含量增加.     

Diamond film growth on the Mo–Re alloy foil

Nanocrystalline diamond film was deposited on the substrate of Mo–Re alloy foil by using a hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) method. The morphology, band structures and crystalline structure of the film were analysed by scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy and X-ray diffractometer (XRD), respectively. The results show that the thickness of the diamond film is about 300 nm after 1 h deposition. There is a 2H-Mo₂C layer between the diamond film and the Mo–Re substrate. The values of a and the ratio c/a of Mo₂C are 3.003 and 1.579 Å, respectively. This Mo₂C layer might be formed due to carbon atoms in the gas phase diffusing into the Mo–Re alloy.