_100_织构化学气相沉积金刚石薄膜的取向生长过程

纳米薄膜

{100}织构化学气相沉积金刚石薄膜的取向生长过程

1,2

朱宏喜,顾

131.24超,薛永栋,任凤章,毛卫民

(1.河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;

2.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室,河南洛阳471003;

3.中信重工机械股份有限公司,河南洛阳471003;4.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)[摘

要]为了研究化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜生长过程中{100}织构的形成机理,采用X射线衍射、电子

3-

背散射衍射和扫描电镜研究了CVD自支撑金刚石薄膜的宏观织构、微区晶界分布和表面形貌。结果表明:金刚石薄膜以{111}面或{100}面为生长前沿面都能够形成{100}织构,但形成的表面形貌不同;通过吸附CH3和CH在{111}面堆积碳原子时,通过{111}面的层层堆垛形成{100}面,且{100}面平行薄膜表面,暴露在晶粒表面的晶面形成的{100}面平行于薄膜表面且作为晶粒大部分表只有{111}面;通过吸附CH2在{100}面上堆积碳原子时,面,晶粒显露的侧面为{111}面。

[关键词]金刚石薄膜;化学气相沉积;{100}织构;形成机理;形貌;晶体生长;生长过程[中图分类号]TG174.442

[文献标识码]A

[文章编号]1001-1560(2011)12-0030-03

2-

0前言

[1~4]

这严重制约了金刚如何影响薄膜织构的系统性报道,

需要进一步的研究,以实现对石薄膜的发展。因此,

制备出具有强金刚石薄膜取向生长过程的精细控制,

织构的金刚石薄膜乃至大体积的单晶金刚石。本工作对CVD金刚石薄膜中{100}织构形成过程的机理进行了探讨,以期为制备高质量、强结构的金刚石薄膜提供借鉴。

化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜具有优异的力电学、光学和热学性能学、

。在其制备过程中,由

于外部沉积环境及金刚石单晶体在表面能、生长率等方面呈现各向异性,以致薄膜中形成了不同的生长织构

[2,5]

,{112}、{111}、{110}等。沉积工艺如{100}、

的变化会造成织构组成和强度的明显变化,而织构又会影响金刚石薄膜的性能。因此,研究利用晶体各向异性的特点和规律、寻找和诱导特定晶体学取向,使金刚石薄膜表现出更优良的性能

[6]

1

1.1

试验

,具有重要的实际

基材处理

尺寸为60mm×10mm,先用基材为金属Mo材,

意义。然而,金刚石薄膜比表面积大,缺陷密度高,性能对结晶参数非常敏感,且影响晶体取向的因素非常复杂,要制备出高质量和强织构的金刚石薄膜必须对工艺技术加以严格控制。目前,人们对金刚石薄膜织构形成过程的许多细节还不够了解,还没有沉积工艺

[收稿日期]20110729

[基金项目]国家自然科学基金(50372007);河南科技大学

博士科研启动基金(09001233);河南科技大学校基金(2008ZY003)资助

[通信作者]朱宏喜(1976-),博士,讲师,主要从事材料织

E-mail:电话:13698868412,构和应力的研究,zhuhx2004@126.com

无水乙醇进行超声波清洗,再用300~400目的金刚石粉进行研磨。1.2

金刚石薄膜的制备

采用直流电弧等离子体化学气相沉积法制备金刚石薄膜,利用直流电弧放电产生的高温等离子喷射流使反应室中的CH4和H2离解,产生等离子体,利用Ar气保护阴极和调节电弧,维持稳定的电弧放电,形成沉积金刚石薄膜所需要的气相环境。沉积金刚石薄膜CH4,H2和Ar的纯度分别为99.99%,99.999%和时,

99.999%,以不同的工艺制备2种金刚石薄膜试样。H2和Ar的气体流速分其中,试样1的工艺条件:CH4,

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