[發明專利]一種自支撐納米金剛石厚膜的制備方法

有效

• 申請號: 201810565524.3
• 申請日: 2018-06-04
• 公開（公告）號: CN108570655B
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 高潔;于盛旺;鄭可;黑鴻君;田武;潘雪楠;王月月;馬永
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/517;C23C10/28;C23C28/00
• 代理公司: 14111 太原倍智知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 張宏;郭棟梁

本發明涉及一種自支撐納米金剛石厚膜的制備方法，采用雙層輝光等離子滲金屬方法在硅基片表面滲鉬處理形成鉬促形核層；采用化學氣相沉積方法在上述鉬促形核層上沉積成納米金剛石膜；繼續反復交替進行在納米金剛石膜上滲鉬處理形成鉬促形核層，以及在鉬促形核層上沉積納米金剛石膜的步驟；以上所述鉬促形核層厚度為0.1?1μm，納米金剛石膜厚度控制在20?100μm，最終在硅基片表面形成厚度為0.5?3mm厚膜后，將硅基片腐蝕處理，得到所述的自支撐納米金剛石厚膜。該方法通過不斷施加鉬促形核層，提高金剛石成核速率，抑制晶粒長大，實現納米金剛石厚膜的制備，該厚膜具有良好的強韌性及耐磨性等綜合性能。

技術領域

本發明涉及超硬材料制備技術領域，特別是一種自支撐納米金剛石厚膜的制備方法。

背景技術

納米金剛石膜指的是晶粒尺寸小于100nm的金剛石膜，它兼具金剛石膜與納米材料雙重特性，硬度比傳統的微米金剛石膜稍低，具備常規金剛石膜優異的物理和化學性質，同時兼具表面粗糙度低、摩擦系數小、便于表面研磨拋光、電阻率低等特點，因而在微機電系統（MEMS）和納機電系統（NEMS）、生物傳感器、摩擦磨損等領域比微米金剛石膜具有更好的應用前景。此外，納米金剛石膜密光滑，缺陷和晶界尺度遠比微米金剛石涂層的小，因此具有很高的彈性模量，是非常優異的聲表面波基體材料。

納米金剛石膜的應用優勢十分明顯，但是目前制備的納米金剛石膜僅限于薄膜涂層，厚度僅為幾到幾十個微米，無法制備自支撐納米金剛石厚膜，這限制了納米金剛石膜的應用。造成納米金剛石無法制備成厚膜的原因：無法在納米金剛石沉積過程中始終保持極高的成核密度。一般在納米金剛石沉積之前，會對襯底進行預處理，提高金剛石的形核密度，但是由于金剛石生長過程中的競爭生長機制，晶粒容易長得比較粗大，不易保持較小的尺寸，另外，納米金剛石沉積過程中表面能不斷降低，這也導致其二次形核率降低，晶粒長大。因此，制備納米金剛石厚膜的關鍵技術就是在獲得極高的初期成核密度的基礎上，在生長過程中保持極高的二次成核率。

目前研究人員，多通過主要有宏觀缺陷法、過渡層法以及偏壓法來增加金剛石沉積初期的形核密度，而通過通入氬氣增加反應氣氛中的C2基團來提高納米金剛石中的二次形核率。但是這些方法僅能將納米金剛石膜的厚度提高至幾十上百微米，遠達不到自支撐納米金剛石厚膜的標準。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種自支撐納米金剛石厚膜的制備方法，從而達到自支撐納米金剛石厚膜標準，并至少提高厚膜的強韌性及耐磨性。

為解決以上技術問題，根據本發明的一個方面，提供一種自支撐納米金剛石厚膜的制備方法，其特征在于，包括步驟：

采用雙層輝光等離子滲金屬方法在硅基片表面滲鉬處理形成鉬促形核層；

采用化學氣相沉積方法在上述鉬促形核層上沉積成納米金剛石膜；

繼續反復交替進行在納米金剛石膜上滲鉬處理形成鉬促形核層，以及在鉬促形核層上沉積納米金剛石膜的步驟；

以上所述鉬促形核層厚度為0.1-1μm，納米金剛石膜厚度控制在20-100μm，晶粒尺寸控制為10-100nm；最終在硅基片表面形成厚度為0.5-3mm厚膜后，將硅基片腐蝕處理，得到所述的自支撐納米金剛石厚膜。

進一步地，在硅基片表面滲鉬形成鉬促形核層的方法包括步驟：

將硅基片置于雙層輝光等離子滲金屬爐中，選用純度為99.999%的鉬板作為靶材，工作氣體選用高純氬氣，將硅基片與靶材采用豎直懸掛設置，對硅基片表面進行基材濺射清理，工藝參數為：工作氣壓20-30Pa，基材工作電壓450-750V，清理時間5-30 min；

然后進行表面滲鉬處理，工藝參數為：工作氣壓40-50Pa，濺射靶電壓650-800V，基材工作電壓200-500V，試樣溫度900-1200℃，保溫時間1-30 min，得到鉬促形核層。