[發明專利]一種納米晶碳氮薄膜的制備方法及裝置

無效

• 申請號: 201110213134.8
• 申請日: 2011-07-28
• 公開（公告）號: CN102268655A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: 張治軍;張經緯;郭建輝;趙闖;張紀偉
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: C23C16/44
• 分類號: C23C16/44;C23C16/34;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 時立新;黃偉

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，特別涉及一種納米晶碳氮薄膜的制備方法及裝置。

背景技術

自從Cohen等在20世紀90年代初預言在C—N體系中可能存在硬度超過金剛石的β-C₃N₄后，立即在全球范圍內掀起了一股合成β-C₃N₄的研究熱潮。人們競相采用各種方法試圖合成出純相的β-C₃N₄晶體或晶態薄膜，并對其結構進行研究和討論。主要的制備方法有激光燒蝕法，濺射法(包括射頻濺射、磁控濺射、離子束濺射等)，高壓合成法，沉積法(包括等離子體化學氣相沉積、?真空電弧沉積、?電化學沉積等)、離子注入法等。從已發表的學術論文中可以看出，這些方法在絕大多數情況下，得到的都是一種非晶態的碳氮薄膜；成膜的致密度差，不純；成分達不到N/C=1.33的要求。

此領域申請專利的情況如下：SUME?SUMITPMO?ELEC?IND?KK的專利發明（日本專利J03240959），利用交流電壓等離子體放電沉積碳氮薄膜，但只合成了碳氮薄膜，沒有得到晶相的氮化碳；陳巖和王恩哥等人的發明“晶態α相和β相氮化碳薄膜材料及其制備方法”（中國專利CN1151386A）用負偏壓輔助熱絲化學氣相沉積法合成晶態氮化碳薄膜，但這種方法純度很難保證。田中卓和袁磊等人的發明“微波等離子體化學氣相沉積合成晶相碳氮薄膜”（中國專利CN1219604A），將微波通入工作腔內，使氣體放電產生等離子體從而沉積薄膜。從這些發明專利可以看出，用于制備碳氮薄膜的前驅體大多是氣體，如CH₄、CO、C₂H₂、N₂、NH₃等，這些反應氣體在化學氣相沉積過程中，需要先將其本身的化學鍵斷裂后，再生成C—N鍵，因此需要采用一些輔助手段如強的負偏壓、微波等離子體、磁控濺射等提高其化學反應活性。這就需要一些昂貴的輔助設備，或消耗更多的能量提高其化學活性，在實際的應用過程中反應設備比較龐大，化學反應過程比較繁瑣。

發明內容

本發明的目的在于提供一種納米晶碳氮薄膜的制備方法及其裝置，克服目前制備方法的反應過程復雜，對反應設備要求高的缺陷。

本發明采用的技術方案如下：

一種納米晶碳氮薄膜的制備方法，把預處理好的基片放入高溫管式爐中，通入載氣排盡反應系統中的空氣后，將液態的含碳氮組分的工作液抽入到預混合管中與載氣混合，待預混合管溫度超過工作液的沸點溫度后，工作液蒸汽與載氣進入高溫管式爐中高溫熱解沉積得到納米晶碳氮薄膜。

所述液態的含碳氮組分的工作液為液相碳氮化合物或為含碳和/或含氮化合物與碳氮化合物的混合液，含碳和/或含氮組分與碳氮化合物的體積比為1:0.05～20。

所述的液相碳氮化合物為甲胺、乙胺、甲乙胺、二甲胺、乙二胺、二乙胺、丙胺、丙二胺、丁胺、丁二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺、甲異丙胺、苯胺、N-甲基-N-乙基苯胺、吡啶、乙腈、苯甲腈、鄰甲苯甲腈、肼、間甲苯肼、色胺、二苯胺、六亞甲基四胺、三聚氰胺、多胺、生物堿、脂肪胺、芳香胺的水或有機溶液中的一種或兩種以上的混合物；含碳化合物為苯、甲苯、乙苯、二甲苯、二乙苯或甲乙苯中的一種或兩種以上，含氮化合物為氨水。

工作液蒸汽與載氣進入高溫管式爐中后在700～1100℃下熱解反應15min～10小時，自然冷卻至室溫，獲得納米晶碳氮薄膜。

較好的，在700～1100℃下高溫熱解反應15min～5小時后，關閉工作液進樣裝置，反應系統中繼續通入載氣，將得到的碳氮化合物再在同一溫度下焙燒15min～5小時，自然冷卻至室溫，獲得納米晶碳氮薄膜。

在沉積過程中，混合蒸汽的流量控制在5～300標準cm³/min（SCCM）。

通過蠕動泵抽取工作液進入預混合管，抽取速率為0.05～10ml/min。

通入系統的載氣為Ar、He、N₂或H₂，其流量不大于1000?標準cm³/min。