MPCVD 制备大面积超纳米金刚石膜的研究

摘要

超纳米金刚石作为纳米金刚石领域一个极其重要的分支，在硬度，表面光滑度，摩擦系数，断裂韧性，电学性能，铸形兼容性等方面更加显著，可在机械涂层，场发射及电化学，微机电系统（MEMS），生物医学，声学，光学等领域发挥重要作用。国外学者经过十多年的研究和努力，在超纳米金刚石的制备和性能研究方面取得了极大的进步和发展。相比之下，国内相关研究尚属起步，极其缺乏超纳米金刚石膜制备工艺方面的系统研究。本文利用自制10kW-MPCVD装置，以CH4/Ar/H2为气源制备了超纳米金刚石膜，同时也利用韩国Woosinent-R2.0型MPCVD装置，以 CH4/N2和 CH4/N2/H2为气源生长了掺氮超纳米金刚石膜，详细论述了工艺参数对生长不同超纳米金刚石膜的影响，并成功的沉积出直径为50mm的大面积掺氮超纳米金刚石膜。
　　本研究主要内容包括：⑴在利用CH4/Ar作为气源生长超纳米金刚石时，为保证等离子体的稳定性和活性基团能量和密度，必须添加少量的氢气和采用较低的功率和高气压（>10kPa）条件下进行。⑵当在Ar/CH4环境中添加少量氢气生长超纳米金刚石时，随着氢气浓度的减小，薄膜的晶粒尺寸减小，薄膜中金刚石相含量降低，非晶碳和石墨含量增大，薄膜趋向（111）面优先生长。⑶当利用CH4/N2作为气源生长掺氮超纳米金刚石膜时，随着CH4/N2气源浓度比的减小薄膜表面的团聚体外形“针状”逐渐演变为颗粒状，薄膜晶粒尺寸增大，薄膜的致密度和质量提高，而导电性变差。⑷当在CH4/N2环境中添加少量氢气生长掺氮超纳米金刚石时，随着氢气浓度的增大，薄膜的晶粒尺寸增大，杂质和缺陷及生长速率降低，由G峰漂移引起的压应力也随之减小，薄膜的质量提高但导电性变差。

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第1章 文献综述

1.1 超纳米金刚石的结构，特性及应用

1.2~1500

1.2 MPCVD法制备超纳米金刚石膜

1.3本文研究的目的及意义

1.4本文研究的方向及内容

第2章 实验装置与表征手段

2.1 实验装置

2.2 超纳米金刚石膜的表征方法

第3章CH4/Ar/H2气氛生长超纳米金刚石膜的研究

3.1不同氢气浓度对超纳米金刚石膜表面形貌的影响

3.2不同氢气浓度对超纳米金刚石膜质量的影响

3.3不同氢气浓度对超纳米金刚石膜晶粒尺寸的影响

3.4本章小结

第4章CH4/N2生长掺氮超纳米金刚石膜的研究

4.1不同CH4/N2浓度比对掺氮超纳米金刚石膜表面形貌的影响

4.2不同CH4/N2浓度比对掺氮超纳米金刚石膜质量的影响

4.3 不同CH4/N2浓度比对掺氮超纳米金刚石膜晶粒及粗糙度的影响

4.4不同CH4/N2浓度比对掺氮超纳米金刚石膜电阻率的影响

4.5本章小结

第5章 氢气浓度对制备掺氮超纳米金刚石膜影响的研究

5.1不同氢气浓度对制备掺氮超纳米金刚石膜表面形貌的影响

5.2不同氢气浓度对制备掺氮超纳米金刚石膜生长速率的影响

5.3 不同氢气浓度对制备掺氮超纳米金刚石膜质量的影响

5.4不同氢气浓度对制备掺氮超纳米金刚石膜晶粒尺寸的影响

5.5不同氢气浓度对制备掺氮超纳米金刚石膜导电性能的影响

5.6本章小结

第6章 大面积掺氮超纳米金刚石膜形貌的研究

6.1不同基片位置处掺氮超纳米金刚石膜的表面形貌

6.2不同基片位置处掺氮超纳米金刚石膜的质量

6.3不同基片位置处掺氮超纳米金刚石膜的晶粒尺寸

6.4本章小结

第7章 全文总结与展望

7.1全文总结

7.2论文展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢