一种梯度单晶金刚石及其制备方法技术

本发明专利技术涉及微波等离子体化学气相沉积方法生长单晶金刚石领域，特别涉及一种梯度单晶金刚石及其制备方法。采用微波等离子体化学气相沉积设备，在氢气甲烷混合气源中连续性梯度浓度通入高纯空气，实现不含氮的高质量单晶金刚石层和含氮金刚石层的交替沉积，制备出高质量、高强度、韧性好的梯度单晶金刚石。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度单晶金刚石及其制备方法
本专利技术涉及微波等离子体化学气相沉积方法生长单晶金刚石领域，特别涉及一种梯度单晶金刚石及其制备方法。
技术介绍
单晶金刚石具有众多的优异的物理化学性能，在众多工业领域都得到广泛应用。目前微波等离子体化学气相沉积(MicrowavePlasmaChemicalVaporDeposition，MPCVD)技术是制备单晶金刚石最常用的方法，也是技术最成熟的方法。使用微波能量将通入反应腔室内的氢气和含碳气源(如甲烷、乙炔、丙酮等)离解为原子氢和含碳基团，sp3单晶金刚石相含碳基团在在单晶金刚石衬底上的吸附沉积能够实现单晶金刚石的同质外延生长。含碳基团分为sp3金刚石相含碳基团和非金刚石相含碳基团(如石墨相、无定形碳等)。sp3金刚石相含碳基团在单晶金刚石衬底上的吸附沉积能够实现单晶金刚石的外延生长，非金刚石相含碳基团在单晶金刚石衬底上的吸附沉积会降低单晶金刚石的纯度，从而降低单晶金刚石的质量。原子氢在单晶金刚石衬底表面的吸附和脱附作用能够促进sp3金刚石相含碳基团在单晶金刚石衬底上的吸附沉积，从而促进单晶金刚石的生长。另外，原子氢对非金刚石相含碳基团(如石墨相、无定形碳等)的刻蚀作用能够保证单晶金刚石的生长质量。原子氢对单晶金刚石衬底表层的非金刚石相的刻蚀效率是sp3金刚石相的50倍。氧气以反应刻蚀的形式对非金刚石相和sp3金刚石相进行刻蚀，氧气比原子氢的刻蚀效率高。如果氧气对sp3金刚石相的刻蚀效率大于sp3金刚石相的沉积效率，单晶金刚石就会停止生长。单晶金刚石大批量生产才能实现单晶金刚石的工业化应用。高功率微波等离子体化学气相沉积设备和大尺寸单晶金刚石衬底的价格都非常昂贵，不利于单晶金刚石的大批量工业化应用。因此，提高单晶金刚石的生长速率成为促进单晶金刚石工业化应用的主要研究方向。在氢气甲烷混合气源中掺入一定浓度比例的氩气或者氮气都可以提高单晶金刚石的生长速率。氩气的掺入虽然不直接参与化学反应，但是能够提高微波等离子体中气体分子的离解从而提高含碳基团的密度，间接地提高单晶金刚石的生长速率，但是非金刚石相的沉积速率也随之升高，降低了单晶金刚石的生长质量。另外，等离子体活性基团密度大大升高会降低等离子体的稳定性。高质量单晶金刚石的生长很少采用掺入氩气的方法。氮气的掺入提供的氮原子能够萃取单晶金刚石衬底表面的原子氢悬挂键形成N-H活性基团，能够提高单晶金刚石衬底表面C-H悬挂键原子氢的脱附，加速金刚石相活性基团的沉积，大大提高单晶金刚石的生长速率。单晶金刚石C-C键键长短，原子半径大于碳原子半径的原子很难进入到单晶金刚石的晶格中。含氮单晶金刚石中的氮原子含量在0-200ppm以内。氮原子在单晶金刚石晶格中能够形成空位，如果在掺入氮气的同时掺入一定浓度比例的氧气，氧气能够抑制氮原子进入到单晶金刚石晶格中，降低单晶金刚石晶格中氮原子的含量，从而提高单晶金刚石的生长质量。不含氮的高质量单晶金刚石硬度高，但是脆性高、韧性低，在高速切削加工条件下很容易崩裂；含氮单晶金刚石晶格中存在微量氮原子(200ppm以内)比不含氮的高质量单晶金刚石硬度低、耐磨性低，但是提高了单晶金刚石韧性。梯度单晶金刚石是指通过控制工艺参数制备的由不含氮的高质量单晶金刚石层和含氮单晶金刚石层交替沉积的复合单晶金刚石。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种梯度单晶金刚石的合成方法及其产品，解决高速切削加工条件下不含氮的高质量单晶金刚石容易崩裂、含氮金刚石耐磨性不高的问题。本专利技术的方案如下：一种梯度单晶金刚石，采用微波等离子体化学气相沉积设备，在氢气甲烷混合气源中连续性梯度浓度通入高纯空气，实现不含氮的高质量单晶金刚石层和含氮金刚石层的交替沉积，制备出的梯度单晶金刚石。制作所述的梯度单晶金刚石的方法，采用微波等离子体化学气相沉积设备，在氢气甲烷混合气源中连续性梯度浓度通入高纯空气，实现不含氮的高质量单晶金刚石层和含氮金刚石层的交替沉积，制备出的梯度单晶金刚石。优选地，氢气、甲烷、高纯空气在进入反应腔室前进行了均匀混合，其中，氢气、甲烷的通入方法为定量持续性通入，高纯空气的通入方法为连续性梯度浓度通入。进一步优选地，所述高纯空气为混合体包括按照体积百分比的以下气体：氮气70.0％～75.0％，氧气15.0～23.0％，氩气0～1.0％，二氧化碳0～0.1％，余量为水蒸汽。使用单个气体流量计控制氮气氧气体积分数比例一定的高纯空气的通入流量比使用两个气体流量计分别控制氮气和氧气的通入流量更加精准，同时减少了气路结构，通常至少需要5路气体，此条件下只需要3路气体，且原料气体容易获得，比较便宜。更进一步优选地，高纯空气在通入到反应腔室内部之前进行固体颗粒过滤处理，过滤孔直径低于0.8um。优选地，在氢气甲烷混合气源中连续性梯度浓度通入高纯空气具体方法为：通入的氢气流量为5-20slm(slm：气体流量单位，标准立方分米每分钟)，甲烷流量为0.25-3slm，通入的高纯空气流量为0-0.05slm。进一步优选地，在梯度单晶金刚石整个生产周期T＝5-500小时过程中，连续性梯度变化循环周期为t1，其中：0-30分钟时间内高纯空气流量为0slm；5-30分钟时间内高纯空气流量由0升高至0.00001-0.05slm；0-30分钟时间内高纯空气流量为0slm；5-30分钟时间内高纯空气流量由0.00001-0.05slm降低至0slm，不间断的循环控制通入的高纯空气流量。优选地，所述的梯度单晶金刚石的生长温度为800-1200℃，反应腔室内工作气压为10-30kPa。进一步优选地，所述的梯度单晶金刚石的生长温度为850-1180℃，反应腔室内工作气压为15-26kPa。在此条件下，可以保证单晶金刚石的定向生长，晶体结晶性能更优，拉曼半高宽低于2.5cm-1，能够形成高质量的单晶金刚石，有效避免边缘多晶结构的产生，保证产品质量。本专利技术有益效果如下：1、本专利技术实现氮原子在单晶金刚石中呈阶梯型分布，达到在保证单晶金刚石高生长速度、高硬度的前提下，还能够提高单晶金刚石韧性，从而提高单晶金刚石的耐磨性。2、使用高纯空气的成本比使用高纯氮气和高纯氧气的成本低得多，而且高纯空气极易获得。高纯空气，过滤固体颗粒的，固体颗粒粒径，粒径低于0.8um，优势是既有部分氮气用来提高速率，又有氧气和水蒸汽提高质量，还有二氧化碳提供碳源，从而大大节约了成本。另外，使用单个气体流量计控制氮气氧气体积分数比例一定的高纯空气的通入流量比使用两个气体流量计分别控制氮气和氧气的通入流量更加精准，同时减少了气路结构，通常至少需要5路气体，此条件下只需要3路气体，且原料气体容易获得，比较便宜。3、生长单晶金刚石时，如果使用单纯的氢气甲烷混合气源，单晶金刚石的生长质量和硬度都很高，但是单晶金刚石的生长速度很慢，另外单晶金刚石的强度很高，在高强度加工时很容易崩裂。生长单晶金刚石时，如果在氢气甲烷混合气源中混入一定浓度比例的氮气，单晶金刚石的生长速度会大大提高，但是微量氮原子会进入到单晶金刚石晶格中，降低单晶金刚石的生长质量和强度，从而降低单晶金刚石的耐磨性。在单晶金刚石生长过程中，在氢气甲烷混合气源中连续性梯度地混入一定浓度比例的的主要成分为氮气和氧气的高纯空气，实现氮原子在单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度单晶金刚石，其特征在于：采用微波等离子体化学气相沉积设备，在氢气、甲烷混合气源中连续性梯度浓度通入高纯空气，实现不含氮的高质量单晶金刚石层和含氮金刚石层的交替沉积，制备出的梯度单晶金刚石。

【技术特征摘要】
1.一种梯度单晶金刚石，其特征在于：采用微波等离子体化学气相沉积设备，在氢气、甲烷混合气源中连续性梯度浓度通入高纯空气，实现不含氮的高质量单晶金刚石层和含氮金刚石层的交替沉积，制备出的梯度单晶金刚石。2.制作权利要求1所述的梯度单晶金刚石的方法，其特征在于：采用微波等离子体化学气相沉积设备，在氢气、甲烷混合气源中连续性梯度浓度通入高纯空气，实现不含氮的高质量单晶金刚石层和含氮金刚石层的交替沉积，制备出的梯度单晶金刚石。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述氢气、甲烷、高纯空气在进入反应腔室前进行了均匀混合，其中，氢气、甲烷的通入方法为定量持续性通入，高纯空气的通入方法为连续性梯度浓度通入。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述高纯空气为混合体，包括按照体积百分比的以下气体：氮气70.0%~75.0%，氧气15.0~23.0%，氩气0~1.0%，二氧化碳0~0.1%，余量为水蒸汽。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述高纯空气在通入到反应腔室内部之前进行固体颗粒过滤处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑞，武迪，郑大平，肖景阳，杨明，
申请(专利权)人：湖北碳六科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42