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薄膜技术的应用一金刚石薄膜的应用及合成技术 目录 一、引言 二、金刚石薄膜的性能及其应用 三、金刚石薄膜的合成方法 四、金刚石薄膜的分析和表征 五、目前需要解决的问题 引言 金刚石是C的三种同素异形体之一,它有许多优良的特性,其中高硬度就是它的特性之一。天然金刚石是在地下深处的超高压、超高温条件下形成的, 储量极少, 价格极其昂贵。 金刚石的人工合成始于1954年, 美国通用电气公司首次以镍为催化剂, 用高压发生装置在6×109atm 和2700℃ 的条件下以石墨为原料静压合成出人造金刚石。 高温高压法投资大, 生产费用高, 技术难度大, 合成的金刚石粒度大都在1mm以下。由于人造金刚石颗粒的形态所限, 多年来只能应用其硬度高的特性, 而金刚石的其它优异特性均因形态所限而不能充分利用。 为了更有效地利用这一功能材料, 必须开发能自由控制其形态和集合状的合成技术。由于低压法合成金刚石可以在大面积的各种衬底上沉积出粒状或膜状金刚石, 因此它将为金刚石在电子工业, 光学工业和空间技术等重要领域的广泛应用开拓了崭新的局面。 目录 一、引言 二、金刚石薄膜的性能及其应用 三、金刚石薄膜的合成方法 四、金刚石薄膜的分析和表征 五、目前需要解决的问题 二、金刚石薄膜的特性及应用 1、 在已知的物质中, 硬度最高(维氏硬度约为98070MPa; 显微硬度一般大于2000kg/mm2 , 最高4700kg/mm2 , 因而其耐磨性能也最好。 若将金刚石薄膜涂覆在切削工具和材料的表面, 如机床切削刀刃, 光学透镜, 触头等,会使这些材料和部件变得更加经久耐用。 经对铝合金进行千式切削试验, 已确认可连续切削100分钟。此切削性能为超硬工具的50 倍以上。 在此方面领先的是日本的旭金刚石工业公司, 它采用电子射束CVD法在钨钢刀刃上涂覆成功5um厚的金刚石薄膜刃。该公司目前正在极力开发的除钻头、铣刀等切削工具外, 还致力于在工厂自动化用的触头传感器、计测用触感器等耐磨部件。 日本出光石油化学公司用微波等离子体CVD 法涂覆成金刚石工具刀片, 并且已作为商品销售。 精工电子工业公司也成功地利用微波等离子体CVD法合成了具有良好电绝缘性、耐磨性和耐药品性的金刚石薄膜, 并可对任何形状的表面进行均匀涂覆。目前已应用到热打印机的打印头上, 并实现商品化。 国内的吉林大学也用热丝CVD方法在硬质合金衬底上沉积出了金刚石薄膜, 但目前仍处于实验研究阶段。 金刚石薄膜大致可以分为三类: ①类金刚石为主的金刚石薄膜,金刚石薄膜中金刚石碳的相对原子质量分数为31%; ②金刚石为主的金刚石薄膜,金刚石碳的相对原子质量分数为90.97%; ③质量好的金刚石薄膜,金刚石碳原子占97%以上。 表1 天然金刚石和CVD金刚石薄膜的物理性质 2.在所有物质中, 热导率最高, 室温下的热导率为铜的6倍(2400W/m*k)。 3.在已知的各类材料中, 热膨胀系数最低(约为0.8*10-8),因而具有极为优良的抗热冲击性能。 4.与氧化铝相似, 是优良的绝缘体, 除πb型半导体金刚石外, 几乎所有的金刚石薄膜的电阻率都大于1014Ω*cm, 因此它也是优良的介电材料。 具有高掺杂性能, 用离子注人硼、磷或能形成P型或n型半导体金刚石。金刚石半导体比常用的半导体材料Si,Ge和GaAs具有更为优异的性能。 它具有耐高温, 耐辐射性能和低的介电常数而有利于超高频和微波信号的大功率输出(能带隙宽可达55eV)。 电子设备和计算机中的半导体器件的工作散热问题, 是最难解决的问题。为了防止工作中发热而自毁, 不得不增大元件间的距离, 这就使得设备体积庞大。人们曾采用导热性能优良的/ + 型单晶金刚石、立方氮化硼陶瓷和BeO 等“ 热沉” 材料来散热, 但都因加工困难, 成本高或者热导率偏低, 或是有剧毒而不理想, 使器件的功率、集成度受到限制。 而金刚石薄膜可直接沉积在硅等多种材料上, 形成即散热又绝缘的薄层, 可以免去散热片。沉积金刚石薄膜的工艺简单, 成本低, 尺寸和形状不受限制, 使器件效率成倍增加, 是高频、超大规模集成电路最理想的“ 热沉” 材料。 利用金刚石薄膜制成的大规模集成电路, 可以在500℃ 下正常工作, 这样对在恶劣环境条件(如宇宙空间, 发动机机房等)工作的电脑来说是最理想不过了。 由于金刚石的电绝缘性比Si,Ge强, 可经受十几kV/cm的高电场强度, 所以金刚石薄膜还可制成亚毫秒高电压高速光开光器件。 6.具有优良的透光性能, 除一部分红外波段外(2.2-6.5um),能透过从紫外直
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