掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法与装置

摘要

本发明涉及一种掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法与装置，制备掺杂金属粒子的金刚石薄膜装置由控制系统、靶材系统、工件控制系统和辅助系统组成。高功率脉冲激光装置发出的强激光聚焦到在真空条件下的高纯石墨靶材表面上，高能量的激光诱导出大量的等离子体高速轰击预先均匀加热的基材表面，在基材表面快速相变形成金刚石薄膜。准分子激光器发出的激光聚焦到金属靶材上，高能量密度的激光在金属靶材表面诱导出的由大量的金属粒子构成的等离子体高速轰击已制备的金刚石薄膜表面，大量的金属粒子有效地紧密填补金刚石薄膜颗粒表面的缝隙，形成了一层均匀的金属膜，实现金刚石薄膜表面的改性，提高了金刚石薄膜的抗压强度和耐磨性。

说明书

技术领域

本发明涉及人工制造金刚石薄膜领域，特指一种掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法与装置，尤其适用于制备大面积的金刚石薄膜。

背景技术

金刚石薄膜有多方面的优良性能，如高的硬度和好的耐磨性，极好的化学稳定性和高热传导性，以及耐高温和抗辐射等性能而备受人们的关注，金刚石薄膜因其众多优异性能而在许多工业和新技术领域有着重要的作用。现在人们已有多种方法制备金刚石薄膜，并已经初步应用在机、电、光、声等方面。

1955年，美国通用电气公司的Bundy等人用石墨作为碳源，用Fe、Ni、Co等过渡金属作为催化剂在1500K的高温和8GPa的高压条件下首次合成人工金刚石，这种方法也称高压熔媒法。1961年，人们在不采用催化剂的情况下，通过30GPa的超高压和1500K的高温条件下直接将石墨转化成金刚石。自从1974年，日本的Setaka、Matsumoto等人采用热灯丝、微波和直流放电等方法激发CH4等含碳气体，在金刚石籽晶和非金刚石的基底材料上进行金刚石膜的研究，制备出金刚石薄膜后，人们已开发出多种低压气相沉积法，均成功地制备出金刚石薄膜。低压气相合成金刚石技术可以分为下面三种类型：第一是化学气相沉积（CVD）；第二类是物理气相沉积（PVD）；第三类是化学气相输运沉积（CVT）。根据激发方式的不同，CVD技术主要分为热丝化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、燃烧火焰化学气相沉积等制备方法。另外利用等离子制备薄膜的设备也成为一种具有很大的应用前景，如直流等离子体喷射在制备金刚石薄膜方面已取得进展。

上述的各种制备金刚石薄膜的方法，存在设备庞大，控制复杂，制备的金刚石薄膜厚度较薄且薄膜与基材结合强度较低的问题，因这些缺点限制了制备金刚石薄膜工业化的推广。同时随着金刚石刀具在现代机械加工、建筑装饰等行业的广泛应用，人们对刀具的抗压强度、使用效能和使用寿命提出了越来越高的要求，因此对大面积金刚石薄膜的表面改性显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是针对以上技术的不足，提供一种掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法。该方法创新采用高功率脉冲激光装置发出的强激光聚焦到石墨靶材上诱导大量的等离子体高速轰击预先均匀加热的基材表面，在基材表面形成金刚石薄膜，同时借助准分子激光器对金刚石薄膜掺杂金属粒子，实现了金刚石薄膜的表面改性，增强了金刚石薄膜的抗压强度和耐磨性。该方法制备金刚石薄膜的反应产率高，薄膜层纯度高，可实现自动化，安全可靠，尤其是能制备大面积的金刚石薄膜同时还能实现金刚石薄膜表面改性。

掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备具体方法是：高功率脉冲激光装置发出的强激光经准直扩束镜透过耐高压玻璃窗口B聚焦到在真空条件下的高纯石墨靶材表面上，石墨靶材以一定的速度自转，高能量的激光诱导出大量的等离子体高速轰击预先均匀加热的基材表面，在基材表面快速形成金刚石薄膜。移动工作台使基材和靶材处于不同的相对位置，从而实现制备大面积的金刚石薄膜。准分子激光器发出的激光经聚焦透镜A透过耐高压玻璃窗口A聚焦到以一定速度自传的金属靶材上，高能量密度的激光在金属靶材表面诱导出的由大量的金属粒子构成的等离子体高速轰击已制备的金刚石薄膜表面，大量的金属粒子有效地紧密填补金刚石薄膜颗粒表面的缝隙，形成了一层均匀的金属膜，从而实现了金刚石薄膜表面的改性，提高了金刚石薄膜的抗压强度、耐磨性等性能。同时等离子体中大量的带电粒子与金刚石薄膜表面的碳原子发生化学反应生成金属碳化物，形成了结合牢固的过渡层, 提高了金属膜和金刚石薄膜之间的结合强度，延长了金属薄膜的使用寿命。

本发明的装置包括控制系统、靶材系统、工件控制系统和辅助系统。

所述的控制系统包括：计算机、数字控制器和激光控制器。数字控制器上端与计算机相连，下端与激光控制器相连，激光控制器分别与高功率脉冲激光装置和准分子激光器相连。计算机控制马达A和马达B，同时通过数字控制器分别控制激光控制器和工作台。激光控制器控制高功率脉冲激光装置和准分子激光器。

所述的靶材系统包括：旋转底座固定装置、旋转底座A、马达A、金属靶材支架、金属靶材、旋转底座B、马达B、石墨靶材支架和石墨靶材。旋转底座固定装置固定在密闭工作腔的顶上方。金属靶材支架用于固定金属靶材，并与马达A的转动轴相连，马达A转动带动金属靶材自转，马达A固定在旋转底座A上，旋转底座A安装在旋转底座固定装置的下左侧。石墨靶材支架用于固定石墨靶材，并与马达B的转动轴相连，马达B转动带动石墨靶材自转，马达B固定在旋转底座B上，旋转底座B安装在旋转底座固定装置的下右侧。旋转底座A和旋转底座B在旋转底座固定装置上成左右对称分布。通过旋转旋转底座A和旋转底座B来分别调节金属靶材和石墨靶材与基材表面水平方向上的夹角。

所述的工件控制系统包括：计算机、数字控制器、基材、加热装置、基材固定装置和工作台。基材夹紧在加热装置上并和加热装置一起固定在基材固定装置上。计算机控制加热装置，数字控制器通过控制工作台来调节基材与和靶材之间的相对位置。

所述的辅助系统包括：准直扩束镜、真空泵、温度传感器、温度显示器、压力传感器和压力显示器。准直扩束镜在耐高压玻璃窗口B的右边，所述的准直扩束镜包括聚焦透镜B和凹透镜。真空泵位于密闭工作腔的右下端。温度传感器安置在基材左侧并与密闭工作腔外的温度显示器相连，温度传感器和温度显示器分别用于测量和观察基材的工作温度。压力传感器位于密闭工作腔的右下部并与密闭工作腔外的压力显示器相连，压力传感器和压力显示器分别用于测量和观察密闭工作腔内的压强。

本发明的特征须在特定的工艺条件下实现，其工艺条件为基材上表面到金属靶材和石墨靶材最下端的垂直距离为2mm～3mm；所述的基材为硅基合金，所述的金属靶材为含量99.9%的钛或镍，所述的石墨靶材为含量99.99%的石墨；马达A和马达B的转速分别为6r/min和10r/min；金属靶材和石墨靶材与基材表面水平方向上的夹角分别为133°～137°和43°～47°；基材的工作温度为200℃～250℃；密闭工作腔里的压强为1×10^-3Pa ~5×10^-3Pa；高功率脉冲激光装置的脉宽为20ns，脉冲重复频率50Hz，功率密度为10⁹ W/cm²；准分子激光器的脉宽为25ns，脉冲频率为10Hz，能量密度为3.0J/cm²。

本发明技术的创新，在于克服了现有技术设备庞大，控制复杂，制备的金刚石薄膜厚度较薄和厚度分布不均匀等缺点，制备出了大面积的厚度分布均匀的金刚石薄膜，同时实现了金刚石薄膜表面的改性，获得了掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜。高功率脉冲激光装置发出的强激光聚焦到高纯石墨靶材表面上诱导出大量的等离子体高速轰击基材表面，在基材表面快速沉积形成金刚石薄膜。通过加热装置对基材进行均匀加热，基材表面温度的均匀分布对沉积大面积、高质量的金刚石薄膜创造了有利条件，使金刚石薄膜厚度分布均匀，提高了金刚石薄膜和基材的结合度。准分子激光器发出的激光在金属靶材表面诱导出的由大量的金属粒子构成的等离子体高速轰击已制备的金刚石薄膜表面，不仅有效地紧密填补金刚石薄膜颗粒表面的缝隙，而且等离子体中大量的带电粒子与金刚石薄膜表面的碳原子发生化学反应生成金属碳化物，形成了结合牢固的过渡层, 提高了金属膜和金刚石薄膜之间的结合强度，延长了金刚石薄膜的使用寿命，提高了抗压强度和耐磨性，这对金刚石薄膜的应用如金刚石刀具等有非常重要的意义。

本发明方法具体实施步骤：

A．用无水乙醇和去离子水清洗基材表面，以除去表面的污染物；

B．把预处理后的基材夹紧在加热装置上，金属靶材和石墨靶材分别固定在金属靶材支架和石墨靶材支架上；

C．转动旋转底座A 和旋转底座B分别调节金属靶材和石墨靶材与基材表面水平方向上的夹角；

D．在基材侧面贴上温度传感器，移动工作台调节好基材表面到石墨靶材最下端的垂直距离。真空泵抽密闭工作腔内的气体，计算机控制加热装置对进行基材均匀加热；

E．打开马达B电源和高功率脉冲激光装置，通过激光控制器设置激光能量、脉冲宽度等参数。高功率脉冲激光装置发出强激光聚焦到自转的石墨靶材上，并诱导大量的等离子体高速轰击基材表面，在基材表面沉积形成金刚石薄膜。

F．关闭马达B和高功率脉冲激光装置，调节工作台到合适的位置。打开马达A和准分子激光器，设置准分子激光器的参数。准分子激光器发出激光聚焦到金属靶材上，激光在金属靶材表面诱导出的由大量的金属粒子构成的等离子体高速轰击已制备的金刚石薄膜表面，形成了一层均匀的金属膜。待反应完成后，关闭所有电源，取下基材。

本法明的优点如下：

1. 本发明方法制备的金刚石薄膜层纯度高且金刚石薄膜厚度厚，薄膜与基材结合强度高；

2. 本发明方法能制备大面积的金刚石薄膜，金刚石薄膜厚度分布均匀；

3. 和其他方法相比，本发明方法制备的掺杂金刚石薄膜抗压强度高、耐磨性好；

4. 本发明方法制备金刚石薄膜的反应产率高，无污染；

5. 该方法可实现自动化，控制简单，安全可靠。

附图说明

图1：掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法的装置原理图。

附图中标号：1.压力传感器；2.压力显示器；3.温度显示器；4.准分子激光器；5.聚光透镜A；6.耐高压玻璃窗口A；7.旋转底座A；8.马达A；9.金属靶材支架；10.金属靶材；11.基材；12.温度传感器；13.基材固定装置；14.工作台；15.旋转底座固定装置；16.旋转底座B；17.马达B；18.石墨靶材支架；19.石墨靶材；20.等离子体；21.密闭工作腔；22.耐高压玻璃窗口B；23.激光束；24.金刚石薄膜；25.加热装置；26.计算机；27.准直扩束镜；28.聚焦透镜B；29.凹透镜；30.高功率脉冲激光装置；31.真空泵；32.数字控制器；33.激光控制器。

具体实施方式

下面结合附图并使用实例来详细说明本发明提出的方法和装置的工作情况，但不用来限制本发明。

实例1

用无水乙醇和去离子水清洗硅基合金的表面，把清洗后的硅基合金夹紧在加热装置25上，然后把金属靶材10和石墨靶材19分别固定在金属靶材支架9和石墨靶材支架18上，调节旋转底座A 7和旋转底座B16使金属靶材10和石墨靶材19与硅基合金表面水平方向上的夹角为135°和45°，在硅基合金的侧面贴上温度传感器12后，调节工作台14的位置，使硅基合金上表面到石墨靶材19最下端的垂直距离为2.5mm。用真空泵31抽密闭工作腔21内的气体，观察压力显示器2，使内压达到3×10^-3Pa，计算机26控制加热装置25对硅基合金加热，观察温度显示器3，使硅基合金温度为200℃，待硅基合金温度稳定后打开马达B17电源和高功率脉冲激光装置30，调节高功率脉冲激光装置30的参数，脉宽为20 ns，脉冲重复频率50Hz，功率密度为10⁹ W/cm²。高功率脉冲激光装置30发出强激光经准直扩束镜27透过耐高压玻璃窗口B22聚焦到自转速度为10r/min的石墨靶材19上，并诱导大量的等离子体20高速轰击硅基合金表面，在硅基合金表面沉积形成金刚石薄膜24。关闭马达B17和高功率脉冲激光装置30，调节工作台14到合适的位置。打开马达A8和准分子激光器4，通过激光控制器33设置参数，脉宽为25ns，脉冲频率为10Hz，能量密度为3.0J/cm²。准分子激光器4发出激光经聚焦透镜A5聚焦到自转速度为6r/min的金属靶材10上，激光在金属靶材10表面诱导出的由大量的金属粒子构成的等离子体高速轰击已制备的金刚石薄膜24表面，形成了一层金属膜。待反应完成后，关闭所有电源，取下硅基合金。