纳米金刚石厚膜在钼基体上的生长研究

摘要

化学气相沉积（chemical vapordeposition，CVD）金刚石具有优异的力学、化学、热学、声学和电学性能于一体的材料，在高科技领域有着广泛的应用前景。纳米金刚石不仅具有普通金刚石众多优异的性能，还拥有良好的韧性和摩擦性能，因此是目前研究比较热门的材料之一。
　　本研究利用HFCVD系统，在Mo基体材料上，对CVD纳米金刚石的形核、生长及其摩擦性能等进行研究。探究了甲烷浓度、基体温度、氮气浓度等对纳米金刚石形核的影响。使用拉曼光谱仪、扫描电镜、原子力显微镜等对薄膜的表面形貌、结构成分进行表征。主要工作如下：
　　1、研究了甲烷浓度对纳米金刚石形核的影响。实验结果表明，随着甲烷浓度的提升，金刚石形核率先增大后减小，当甲烷浓度在3％时，得到的形核密度较好，晶粒尺寸保持在纳米级，适合纳米金刚石的沉积。
　　2、研究了基体温度对纳米金刚石形核的影响。结果表明，金刚石的晶粒尺寸随着基体温度的升高而变大；当基体温度为800℃时，金刚石晶型较为完整，晶粒尺寸在300nm左右，形核率也较为理想；继续升高温度会导致晶粒长大至微米级，不利于纳米金刚石的沉积。
　　3、氮气掺入对纳米金刚石形核的影响。实验发现，掺入少量氮气就能提高金刚石的形核率及生长速率；当氮气浓度在10%以下时，其对金刚石的主要影响是促进晶粒的长大，并逐渐形成（100）及（111）面，其生形核率从2×108cm-2提高到了3×1010cm-2；当氮气浓度在10~20%范围时，晶粒开始二次形核，形成菜花状颗粒。
　　4、实验在不同氮气浓度下沉积了三种纳米金刚石厚膜，并对其进行表征。实验结果表明：在没有氮气掺入的情况下，纳米金刚石膜的结合力很高，但是其较大的晶粒和粗糙的表面也导致了其摩擦系数最大；而掺入20%浓度的氮气会导致摩擦性能大大提高，其摩擦系数从0.266降低至0.063，但是其结合力也随之减小，完全不能满足实际应用；掺入适量氮气（10%）得到的纳米金刚石膜具有较低的摩擦系数与理想的膜-基间结合力，具备一定的应用价值。

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