一種石墨襯底上直接沉積金剛石薄膜的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于先進材料的制備領域，利用工藝參數(shù)的調控，在石墨襯底上直接沉積金剛石薄膜，不需要制備過渡層或對石墨進行預處理。
【背景技術】
[0002]石墨是工業(yè)生產中必不可少的材料，具有良好的化學穩(wěn)定性，可以作為耐火材料，在工業(yè)冶金中制造成熱交換器、反應槽、加熱器、燃燒塔等，尤其是在單晶硅的生長中，石墨被用做坩禍;可以作為導電材料，在電化學中作為電極。然而，無論是將石墨材料用作坩禍還是電極，都存在一些缺點。
[0003]在單晶硅制備當中，石墨可耐高溫，加工方便，價格低。但石墨坩禍的使用壽命非常短。這一方面是由于石墨表面的氧化，使得石墨坩禍表面呈現(xiàn)粉化狀態(tài)。另一方面是由于一氧化硅流經過石墨坩禍，與之發(fā)生反應生成碳化硅。這些現(xiàn)象不僅大大減少了石墨坩禍的壽命，還會增加單晶硅除雜的過程，增加制造的難度以及制造成本。通過在石墨坩禍表面制備一層薄膜，就可以解決其表面氧化和與氣體反應的問題。金剛石的熱膨脹系數(shù)與石墨非常相近，同時具有很高的化學穩(wěn)定性和耐熱性，不與氣體反應。因此在石墨坩禍上涂覆高質量的金剛石薄膜，可以大大提高石墨坩禍的使用壽命，降低單晶硅制備的難度和成本。
[0004]在電化學處理污水當中，以石墨作為電極，來源廣泛、環(huán)保、沒有二次污染、價格低廉。但是石墨電極電阻相對于其他電極材料較大，電能消耗大，反應材料損耗大，電解不穩(wěn)定，電流效率低。現(xiàn)在一種新型的高性能的電極已經應用到的實際工業(yè)當中，就是摻硼金剛石薄膜電極。此電極是在硅或石墨等襯底上沉積一層摻硼金剛石薄膜。石墨襯底與金剛石具有非常相近的熱膨脹系數(shù)，導電性也較好，價格低廉，是作為摻硼金剛石薄膜電極襯底的良好材料。因此，在石墨襯底上沉積出高質量金剛石薄膜的技術，是制備摻硼金剛石薄膜電極的基礎。
[0005]在石墨襯底上直接生長金剛石的問題在于:化學氣相沉積金剛石時，石墨也同時生長，需要大量的原子氫刻蝕石墨，當石墨作為襯底時，需要刻蝕的石墨相更多，導致難以獲得高質量的金剛石薄膜。這就要求復雜的樣品預處理或采用過渡層。本方法不需要采用過渡層或復雜的預處理過程，通過HFCVD法，適當調整工藝參數(shù)以逐步調整sp3/sp2的比例，直至獲得SP3接近100%的高質量金剛石薄膜。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明是采用改變HFCVD的沉積工藝參數(shù)的方法，使沉積薄膜由石墨漸漸過渡到金剛石，使二者的結合更穩(wěn)定，沉積出的金剛石薄膜質量高，薄膜結合力好。
[0007]本發(fā)明的技術方案:
[0008]—種石墨襯底上直接沉積金剛石薄膜的方法，步驟如下:
[0009]第一步，對石墨襯底進行機械打磨，然后將其先后放入丙酮、酒精和去離子水中超聲震蕩清洗，烘干;所述石墨襯底體積為0.0Olcm3-1OOOOcm3。
[0010]第二步，在真空條件下，通入氫氣，使反應體系為100%氫氣氣氛，氫氣流量為50-300sccm，保持反應腔室內的氣壓為20Pa-40000Pa;然后加熱燈絲至1200°C-2500°C，保持該溫度不少于5s，使得石墨襯底表面被氫氣刻蝕，反應過程保持反應體系外的溫度10-100°C。
[0011]所述燈絲的材質為鎢、錸、鉭或鉬。
[0012]第三步，向上述反應體系中再通入含碳氣體或含碳氫氧有機液體，含碳氣體或含碳氫氧有機液體流量百分比為0.5-10 %，保持燈絲溫度在12000C - 2500 V，此時在石墨襯底上沉積的是sp3/sp2雜化共同存在的金剛石與石墨混合的薄膜，沉積不少于1min;之后逐漸將含碳氣體或含碳氫氧有機液體流量百分比減少至0.2-8%,燈絲溫度提高到1300 0C - 2600°C，此時由sp3/sp2雜化過渡到Sp3雜化的純金剛石薄膜，沉積不少于20min。停止加熱燈絲、氫氣和含碳氣體或含碳氫氧有機液體的通入，緩慢冷卻至室溫，取出樣品。
[0013]所述含碳氣體或含碳氫氧有機液體為烷烴、醇類、丙酮、三甲胺或乙炔。
[0014]本發(fā)明的效果和益處是:以本發(fā)明的方法在石墨襯底上沉積金剛石薄膜，通過變化含碳氣體或含碳氫氧有機液體與氫氣的百分比，由石墨襯底過渡到類金剛石薄膜，最后到金剛石薄膜，得到的金剛石純度高，薄膜結合力好。本發(fā)明制備的石墨襯底沉積摻硼金剛石薄膜特別適用于作為電化學電極。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的實施例一中樣品拉曼光譜圖。
[0016]圖2是本發(fā)明的實施例一中樣品金相顯微鏡圖像。
[0017]圖3是本發(fā)明的實施例二中樣品拉曼光譜圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0019]實施例1
[0020](I)用1000目的金相砂紙對石墨樣品進行打磨，將打磨后石墨樣品放入丙酮中超聲震蕩清洗I Omin，取出樣品放入酒精中超聲震蕩清洗I Omin，取出樣品放入去離子水中超聲震蕩清洗1min，取出后放入干燥爐烘干。
[0021 ] (2)將清洗過的石墨樣品放入反應器中，抽真空使反應室達到本底真I X 10—3Pa以上。之后通入氫氣lOOsccm，調節(jié)反應時內氣壓，使得反應室內氣壓達到6kPa。燈絲加熱至20000C，襯底溫度控制在800°C，熱分解的原子氫對石墨襯底表面刻蝕20min。
[0022](3)保持燈絲溫度2000°C，襯底溫度控制在，800°C，通入甲烷，甲烷百分比為2.0%。
[0023](4)每20min減少一次甲烷百分比，每次減少0.2%,直到甲烷百分比減至I %，燈絲溫度保持在2200°C，襯底溫度控制在850°C。沉積6小時后關閉加熱燈絲和氣體，隨爐冷卻至室溫。
[0024]實施例2
[0025](I)用1000目的金相砂紙對石墨樣品進行打磨，將打磨后石墨樣品放入丙酮中超聲震蕩清洗I Omin，取出樣品放入酒精中超聲震蕩清洗I Omin，取出樣品放入去離子水中超聲震蕩清洗1min，取出后放入干燥爐烘干。
[0026](2)將清洗過的石墨樣品放入反應器中，抽真空使反應室達到本底真I X 10—3Pa以上。之后通入氫氣lOOsccm，調節(jié)反應室內氣壓，使得反應室內氣壓達到6kPa。燈絲加熱至20000C，襯底溫度控制在800°C，熱分解的原子氫對石墨襯底表面刻蝕20min。
[0027](3)保持燈絲溫度在20000C，襯底溫度控制在800°C，通入甲烷，甲烷百分比為2 %，沉積40min。
[0028](4)將甲烷百分比減至1%，燈絲溫度提高到2200°C，襯底溫度控制在850°C。沉積6小時后，關閉加熱燈絲和氣體。隨爐冷卻至室溫。取出樣品。
[0029]實施例3
[0030](I)用1000目的金相砂紙對石墨樣品進行打磨，將打磨后石墨樣品放入丙酮中超聲震蕩清洗20min，取出樣品放入酒精中超聲震蕩清洗20min，取出樣品放入去離子水中超聲震蕩清洗20min，取出后放入干燥爐烘干。
[0031 ] (2)將清洗過的石墨樣品放入反應器中，抽真空使反應室達到本底真I X 10—3Pa以上。之后通入氫氣150sCCm，調節(jié)反應室內氣壓，使得反應室內氣壓達到lOkPa。燈絲加熱至18000C，襯底溫度控制在750°C，熱分解的原子氫對石墨襯底表面刻蝕40min。
[0032](3)保持燈絲溫度在18000C，襯底溫度控制在750 V，通入甲烷，甲烷百分比為3 %，沉積40min。
[0033](4)將甲烷百分比減至1.5 %，燈絲溫度提高到2100 V，襯底溫度控制在820 V。沉積6小時后，關閉加熱燈絲和氣體。隨爐冷卻至室溫。取出樣品。
[0034]實施例4
[0035](I)用1000目的金相砂紙對石墨樣品進行打磨，將打磨后石墨樣品放入丙酮中超聲震蕩清洗20min，取出樣品放入酒精中超聲震蕩清洗20min，取出樣品放入去離子水中超聲震蕩清洗20min，取出后放入干燥爐烘干。
[0036](2)將清洗過的石墨樣品放入反應器中，抽真空使反應室達到本底真I X 10—3Pa以上。之后通入氫氣150sCCm，調節(jié)反應室內氣壓，使得反應室內氣壓達到3kPa。燈絲加熱至17000C，襯底溫度控制在700°C，熱分解的原子氫對石墨襯底表面刻蝕20min。
[0037](3)保持燈絲溫度在1700°C，襯底溫度控制在700 V，通入甲烷，甲烷百分比為3 %。
[0038](4)每20min減少一次甲烷百分比，每次減少0.1 %，直到甲烷百分比減至1.5%，燈絲溫度升高到2200 °C，襯底溫度控制在850°C。沉積6小時后關閉加熱燈絲和氣體，隨爐冷卻至室溫O
【主權項】
1.一種石墨襯底上直接沉積金剛石薄膜的方法，其特征在于，步驟如下: 第一步，對石墨襯底進行機械打磨，然后將其先后放入丙酮、酒精和去離子水中超聲震蕩清洗，烘干;所述的石墨襯底體積為0.0Ol Cm3-1OOOOCm3; 第二步，在真空條件下，通入氫氣，使反應體系為100%氫氣氣氛，氫氣流量為50-300sccm，保持反應腔室內的氣壓為20Pa-40000Pa;然后加熱燈絲至1200°C-2500°C，保持該溫度不少于5s，使得石墨襯底表面被氫氣刻蝕，反應過程保持反應體系外的溫度10-100°C; 第三步，向上述反應體系中再通入含碳氣體或含碳氫氧有機液體，含碳氣體或含碳氫氧有機液體流量百分比為0.5-10 %，保持燈絲溫度為1200 0C-2500 °C，沉積不少于I Omin;之后逐漸將含碳氣體或含碳氫氧有機液體流量百分比減少至0.2-8%，燈絲溫度提高至1300°C-2600°C，沉積不少于20min;最后停止加熱燈絲、氫氣和含碳氣體或含碳氫氧有機液體的通入，緩慢冷卻至室溫，取出樣品。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的含碳氣體或含碳氫氧有機液體為烷烴、醇類、丙酮、三甲胺或乙炔。3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的燈絲的材質為鎢、錸、鉭或鉬。
【專利摘要】本發(fā)明涉及先進材料的制備領域，提供了一種石墨襯底上直接沉積金剛石薄膜的方法。本發(fā)明提供一種CVD法直接在石墨襯底上沉積高質量金剛石薄膜的方法。以防止石墨蒸發(fā)和石墨電極在電化學上的應用，提高石墨的機械性質。本發(fā)明中，無需對石墨襯底進行復雜的預處理，也無需沉積其他元素過渡層。只需在實驗中改變實驗參數(shù)，從利于石墨沉積的實驗參數(shù)，過渡到利于金剛石沉積的參數(shù)，使金剛石薄膜與襯底結合良好，沉積質量高。
【IPC分類】C23C16/27, C23C16/455
【公開號】CN105624642
【申請?zhí)枴緾N201610156608
【發(fā)明人】黃昊, 王蕾, 吳愛民, 張貴鋒
【申請人】大連理工大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年3月16日