一种类金刚石纳米结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种类金刚石纳米结构及其制备方法。本发明专利技术采用物理气相沉积方法在纳米孔模板中沉积形成类金刚石纳米纤维，随后对纳米孔模板进行化学刻蚀，从而暴露出类金刚石纳米纤维的顶端；随着纳米孔模板在化学刻蚀溶液中继续溶解，类金刚石纳米纤维以自发的方式弯曲，并紧密编织形成一层抗蚀掩膜，阻止纳米孔模板的进一步溶解；将表面覆盖有抗蚀掩膜的纳米复合结构放置在静电场中，抗蚀掩膜将在静电场力作用下脱离开表面，并在每一条类金刚石纳米纤维的顶端形成多条的类金刚石纳米须。采用上述方法制备的类金刚石纳米结构适合于在真空微电子学器件中用作场致电子发射材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米结构制备技术，具体涉及一种类金刚石纳米结构及其制备方法。
技术介绍
类金刚石(diamond-like carbon,DLC)是一种sp3键含量较高的亚稳态长程无序无定形碳(amorphous carbon，a-C)材料，具有高硬度、高热导率、低介电常数、宽带隙、高透光性、化学惰性和生物相容性等优异性能，可用作光学窗口、磁性存储器、汽车部件、生物医学涂层、微机电系统装置(micro-electromechanical devices,MEMS)等的保护涂层，在航空航天、机械、电子、光学、生物医学等领域都具有广阔的应用前景。自1971年首次制备出类金刚石薄膜起，经过四十多年的发展，DLC薄膜的制备技术已经日趋成熟。可以通过很多方法制备DLC材料，这些方法的共同点是，产生中等能量的碳离子或碳氢离子，并在基底上冷凝沉积为固态薄膜。优选的沉积工艺是产生每个碳原子能量约为100eV的碳离子束流，其能散较小，具有能量单一的高能粒子，并且非带电(中性)粒子的数量最小。按照产生碳离子所采用的方法，可以将DLC薄膜的制备技术分为物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)与化学气相沉积(chemical vapour deposition，CVD)两大类，其中包括但不限于离子束沉积、溅射沉积、阴极弧沉积、脉冲激光沉积、等离子体增强化学气相沉积等。磁过滤阴极真空弧沉积(filtered cathodic vacuum arc evaporation，FCVAE)是物理气相沉积(PVD)技术中的一种，由于它可以制备出摩擦性能、机械性能、光学和电学特性优异的无氢DLC薄膜，因此在近几十年来逐渐发展成为制备DLC薄膜的优选方法，得到了充分的研究开发和系统优化。FCVAE采用恒流或脉冲弧源放电，并包含将等离子体与中性颗粒分离的过滤弯管，使得等离子体沉积在基底上，并使中性颗粒沉积在管壁上。FCVAE的电弧电流可以采用直流或脉冲触发方式。为了达到不同的过滤效率和沉积速率的要求，通过设计离子束运动轨道不同的弯曲方向、以及阴极和基底之间不同的屏蔽装置，可以设计不同的过滤弯管结构，从而形成不同的FCVAE沉积装置。在FCVAE制备系统中，影响DLC薄膜组分和特性的几组重要参数如下：(I)电弧电压，最小电弧电流，烧蚀速率电弧电压取决于靶体碳材料的组分、阳极位置、外加磁场等，典型的弧压范围在15V～50V之间。稳定放电过程中的最小电弧电流为50A。石墨阴极靶材料的烧蚀速率通常在17～27μg/C范围之间。烧蚀速率通常通过质量损失来测量，因而该质量损失也包含从阴极发射的中性颗粒的质量。靶体表面的外加磁场可以控制阴极弧斑的运动，从而影响中性颗粒的产生与等离子体发射的过程。(II)离化度，动能对于磁过滤阴极真空弧沉积系统而言，几乎所有蒸发的碳原子都被电离，离子动能约为20～40eV。在磁过滤高电流脉冲弧(pulsed high current arc，HCA)中，过滤弯管端点出射的离子动能约为25eV，而对于无过滤HCA，离子动能高达45eV。除过滤弯管和触发电极的结构外，离子能量也取决于控制弧斑和引导等离子体运动的外加磁场的大小和方向。(III)中性颗粒电弧放电过程中产生的来自于石墨阴极的中性颗粒会嵌入所沉积的DLC薄膜中，影响薄膜的质量。通过各种结构的过滤弯管可以使中性颗粒从碳离子中分离出去。采用FCVAE制备的类金刚石材料的能带结构取决于入射碳离子的能量、入射角度、基底温度、以及沉积速率。若基底温度较低，当碳离子能量上升到100eV左右时，sp3C-C键含量上升到最大值，并且随着离子能量的进一步上升而下降。同样地，a-C薄膜的电阻率、折射率、光学带隙、密度、弹性模量、硬度等特性与入射碳离子能量之间的关系也具有同样的趋势。上述关系成立的条件为薄膜沉积温度小于400K。当温度升高时，sp3键含量将在某一温度范围内显著减小。因此最大sp3键含量与入射离子能量之间的关系受到基底温度的影响。此外，有效入射离子能量也受到工作气体(例如氩气)流量大小和基底硬度的影响。在采用类金刚石作为冷阴极场致电子发射材料的真空微电子学器件中，制备具有尖锐表面结构的类金刚石材料成为关键性突破技术。为了制备低维碳材料从而提高材料的场致发射增强因子，研究者做出了多种尝试，例如：采用自上而下的刻蚀方法，例如反应离子刻蚀(reactive ion etching，RIE)或等离子刻蚀；采用自底到顶的生长方法，例如采用多孔阳极氧化铝(anodic aluminum oxide，AAO)模板的化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)法；以及采用刻蚀法制备不平整衬底表面生长具有尖锐结构的碳材料等。然而，尽管采用上述各种方法可以制备一维碳纳米管(carbon nanotubes，CNT)以及超纳晶金刚石(ultrananocrystalline diamond，UNCD)材料，但尚未有研究和报道公开过尺度在纳米量级的类金刚石结构的制备方法。本专利技术将公开这种类金刚石纳米结构的制备技术，以解决该领域 的关键问题。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种类金刚石纳米结构，以及采用磁过滤阴极真空弧沉积系统和模板法制备类金刚石纳米结构的制备方法。本专利技术的一个目的在于提出一种类金刚石纳米结构。本专利技术的类金刚石结构包括类金刚石纳米纤维阵列和类金刚石纳米须。本专利技术的类金刚石纳米纤维阵列包括：纳米孔模板，所述纳米孔模板具有多个周期性均匀分布的纳米通孔；类金刚石纳米纤维，所述类金刚石纳米纤维为采用物理气相沉积技术在每一个纳米通孔中沉积形成的，并且类金刚石纳米纤维的外表面与纳米孔模板的纳米通孔的内表面一致。纳米孔模板是阳极氧化铝模板，纳米通孔的直径在280～320nm之间。物理气相沉积技术为磁过滤阴极真空弧沉积方法。类金刚石纳米纤维阵列包括类金刚石纳米纤维的顶端，所述类金刚石纳米纤维的顶端是通过将纳米孔模板和类金刚石纳米纤维所组成的纳米复合结构浸泡在化学刻蚀溶液中，使部分纳米孔模板溶解从而暴露出来的。本专利技术的类金刚石纳米须阵列包括：纳米孔模板，所述纳米孔模板具有多个周期性均匀分布的纳米通孔；类金刚石纳米纤维，所述类金刚石纳米纤维为采用物理气相沉积技术在每一个纳米通孔中沉积形成的，并且类金刚石纳米纤维的外表面与纳米孔模板的纳米通孔的内表面一致；类金刚石纳米须，所述类金刚石纳米须分布在类金刚石纳米纤维的顶端，并且每一条类金刚石纳米纤维的顶端分布有多条的类金刚石纳米须。纳米孔模板是阳极氧化铝模板，纳米通孔的直径在280～320nm之间。物理气相沉积技术为磁过滤阴极真空弧沉积方法。类金刚石纳米须为采用如下工艺步骤所获得的：纳米孔模板在化学刻蚀溶液中溶解，暴露出类金刚石纳米纤维的顶端；纳米孔模板在化学刻蚀溶液中继续溶解，随着纳米孔模板的溶解，由于纳米孔模板对柔软的类金刚石纳米纤维的支撑作用消失，因此类金刚石纳米纤维以自发的方式弯曲，并紧密编织形成抗蚀掩膜，从而使纳米孔模板和类金刚石纳米纤维组成的纳米复合结构的表面覆盖一层抗蚀掩膜，阻止纳米孔模板的进一步溶解；将表面覆盖有由类金刚石纳米纤维编织形成的抗蚀掩膜的纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种类金刚石纳米结构，其特征在于，所述类金刚石纳米结构是一种类金刚石纳米纤维阵列，所述类金刚石纳米纤维阵列包括：纳米孔模板，所述纳米孔模板具有多个周期性均匀分布的纳米通孔；类金刚石纳米纤维，所述类金刚石纳米纤维为采用物理气相沉积技术在每一个纳米通孔中沉积形成的，并且类金刚石纳米纤维的外表面与纳米孔模板的纳米通孔的内表面一致。

【技术特征摘要】
1.一种类金刚石纳米结构，其特征在于，所述类金刚石纳米结构是一种类金刚石纳米纤维阵列，所述类金刚石纳米纤维阵列包括：纳米孔模板，所述纳米孔模板具有多个周期性均匀分布的纳米通孔；类金刚石纳米纤维，所述类金刚石纳米纤维为采用物理气相沉积技术在每一个纳米通孔中沉积形成的，并且类金刚石纳米纤维的外表面与纳米孔模板的纳米通孔的内表面一致。2.一种类金刚石纳米结构，其特征在于，所述类金刚石纳米结构是一种类金刚石纳米须阵列，所述类金刚石纳米须阵列包括：纳米孔模板，所述纳米孔模板具有多个周期性均匀分布的纳米通孔；类金刚石纳米纤维，所述类金刚石纳米纤维为采用物理气相沉积技术在每一个纳米通孔中沉积形成的，并且类金刚石纳米纤维的外表面与纳米孔模板的纳米通孔的内表面一致；类金刚石纳米须，所述类金刚石纳米须分布在类金刚石纳米纤维的顶端，并且每一条类金刚石纳米纤维的顶端分布有多条的类金刚石纳米须。3.如权利要求1或2所述的类金刚石纳米结构，其特征在于，所述纳米孔模板是阳极氧化铝模板，所述纳米通孔的直径在280～320nm之间。4.如权利要求1或2所述的类金刚石纳米结构，其特征在于，所述物理气相沉积技术为磁过滤阴极真空弧沉积方法。5.如权利要求1所述的类金刚石纳米结构，其特征在于，所述类金刚石纳米纤维阵列包括类金刚石纳米纤维的顶端，所述类金刚石纳米纤维的顶端是通过将纳米孔模板和类金刚石纳米纤维所组成的纳米复合结构浸泡在化学刻蚀溶液中，使部分纳米孔模板溶解从而暴露出来的。6.一种类金刚石纳米结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)制备纳米孔模板，纳米孔模板具有多个周期性均匀分布的纳米通孔；2)采用物理气相沉积系统、以所述纳米孔模板为基底沉积类金刚石，所述物理气相沉积系统中出射的碳离子从纳米孔模板的纳米通孔的底端入射至纳米通孔中，在纳米通孔壁上凝聚并形成连续封闭表面，从而在每一个纳米通孔中沉积形成管状的类金刚石纳米纤维，类金刚石纳米纤维的外表面与纳米孔模板的纳米通孔的内表面一致；3)将纳米孔模板和类金刚石纳米纤维组成的纳米复合结构放入化学刻蚀溶液中，顶端...

【专利技术属性】
技术研发人员：李韫慧，颜学庆，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11