納米金剛石薄膜的制備與應用綜述

李育凌

摘 要： 本文根據(jù)前人的研究，從制備方法，制備過程中的影響因素及應用等方面對納米金剛石薄膜的相關特性做了總結(jié)。

關鍵詞： 納米金剛石薄膜;制備;應用

1 納米金剛石薄膜（納米金剛石）的制備

1.1 主要制備方法

1.1.1 HFCVD法

熱絲化學氣相沉積（HFCVD）法沉積金剛石膜，主要是將含有碳源的反應氣體通過熱絲產(chǎn)生的大于2000℃的高溫，熱解為活性基團，通過活性基團的相互作用形成sp3鍵型的金剛石相，同時被離化的原子氫將對基片上sp2鍵型的石墨相進行刻蝕，在基片表面最終形成sp3鍵型的金剛石相，最后在在經(jīng)過金剛石微粉研磨處理后的硅片上沉積出結(jié)構致密、質(zhì)量良好的納米金剛石薄膜。

1.1.2 MPCVD法

在微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）法中，微波源產(chǎn)生的微波通過波導耦合并穿過絕緣窗口（通常為石英）進入反應腔體放電，同時將含有碳源的反應氣體通入腔體，腔體中，氣體分子的電子在吸收微波能量生成反應活性基團，通過活性基團的相互作用在等離子體球的基片表面沉積得到金剛石薄膜。

1.1.3 直流電弧等離子體CVD法

在直流電弧等離子體CVD法利用直流放電產(chǎn)生等離子體，等離子體和含有碳源的反應氣體作用，在襯底上沉積出金剛石薄膜。在該過程中，等離子體的自加熱效應將襯底加熱，并可以通過調(diào)節(jié)放電電流來調(diào)節(jié)襯底的溫度。由于放電區(qū)域較大，該方法制備的納米金剛石薄膜的均勻性非常好。

1.2 制備過程中的影響因素

1.2.1 生長時間對納米金剛石薄膜微結(jié)構的影響

在其他條件相同的情況下，生長時間越長，納米金剛石薄膜的厚度越大。厚度的增加會導致薄膜中納米金剛石晶粒尺寸減小、非晶態(tài)石墨團簇尺寸增大、有序度提高。另外，薄膜后幅增加還會導致sp2碳團簇數(shù)量增多或尺寸變大，即薄膜表面顆粒大小和金剛石含量無較大變化，但金剛石晶粒大小會不斷減小。因此，薄膜厚度增加會使晶界的導電網(wǎng)絡密度變大，對其的導電性有明顯影響。

1.2.2 摻氮對納米金剛石的影響

摻氮會顯著改變金剛石薄膜物理特性，目前對于納米金剛石薄膜摻氮的研究主要集中在對導電性的影響上。氮雜質(zhì)使金剛石多晶膜界面的化學狀態(tài)改變，從而導致薄膜的能帶結(jié)構變化，導電性能提高，使金剛石薄膜導電和場發(fā)射性能更好。

1.2.3 摻硼對納米金剛石的影響

隨著硼原子濃度的提高，納米金剛石薄膜的表面粗糙程度增加，晶粒尺寸增大。而隨著硼源濃度的提高，納米金剛石薄膜的表面電導性能呈現(xiàn)出先迅速提高、再逐漸趨于平衡的趨勢。因此，要在保證納米金剛石薄膜平整度變化不大的前提下提高其的導電性能，需選擇合適的硼源濃度。

2 納米金剛石薄膜的應用

2.1 機械領域的應用

由于主體部分是結(jié)合強度極高的金剛石晶粒，納米金剛石薄膜具有很高的硬度和彈性模量。另外，其的優(yōu)良物理特性還包括粘附性能較高、表面平滑度高和摩擦系數(shù)低等。因此，作傳動機構的機械耐磨涂層是納米金剛石薄膜的一個重要應用方向。

此外，納米金剛石薄膜的另一重要應用領域是微機電系統(tǒng)。微機電元件的主要材料硅的摩擦系數(shù)大，彈性模量和機械強度相對較低，因此元件的性能較低，使用壽命短，并且這個問題會隨著元件尺寸的減小進一步突出。又因為微觀、宏觀摩擦力區(qū)別很大，所以，傳統(tǒng)的潤滑手段無法解決微機電系統(tǒng)中的摩擦問題。另外，微機電系統(tǒng)中馬達的轉(zhuǎn)速可達十萬的數(shù)量級的水平，一般硅材料難以承受，因此，用納米金剛石薄膜代替微機電系統(tǒng)中的硅將具有很好的應用前景。

2.2 光學領域的應用

由于納米金剛石薄膜的晶粒細小，整體性較好，表面平整光滑，所以對光線的漫反射較弱，透過率較高。雖然納米金剛石薄膜的光學性能并不是最優(yōu)秀的，但力學性能也是選擇光學薄膜的重要影響因素。因此，納米金剛石薄膜在光學窗口應用領域中也是一種是十分理想的薄膜材料。

2.3 聲學領域的應用

納米金剛石薄膜聲傳播速度高、密度低、彈性模量高、熱導率高、機械強度高，因此可以滿足在表面聲波器件工作頻率的不斷提高的情況下制造高頻聲學元件的需求。目前，由于納米金剛石薄膜是縱聲波傳播速度最高的物質(zhì)，且其的彈性模量很高，并具有導熱性和耐熱性，因此，是一種十分理想的傳播高保真?zhèn)鬏斅晫W波的材料，可用于制造高頻率范圍內(nèi)工作的聲表面波濾波器件。

2.4 電學領域的應用

半導體領域內(nèi)，由于納米金剛石薄膜禁帶寬度寬，熱導率高，介質(zhì)擊穿場強，載流子遷移率也很高，因此有極大地應用前景。由于納米金剛石薄膜的閾值電壓較低，晶粒尺寸小，因此，作為一種場發(fā)射陰極材料時，很容易從薄膜內(nèi)發(fā)出電子。研究表明，在冷陰極場發(fā)射性能上，納米金剛石薄膜的表現(xiàn)遠比微米金剛石薄膜優(yōu)秀。因為其局喲偶優(yōu)秀的的場發(fā)射性能，所以被視為最具潛力的下一代平面顯示器制備材料。

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