液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法技术

液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法，属于类金刚石薄膜制备技术领域。采用二甲亚砜为电解液。电解电压为５０～５００Ｖ的高频脉冲直流电压。沉积温度在５０～９０℃；沉积过程中，汽化的电解液通过冷凝回流回到沉积池中。沉积前，基底选用硅片，先后经过在丙酮中超声处理、在氢氟酸溶液中浸泡处理；沉积中，采用高纯石墨为阳极，以经处理的基底硅片为阴极，两极间距设置为７ｍｍ。由于选用了介电常数较高和偶极距较大的二甲亚砜为电解液，在较低的电压下制备出了类金刚石薄膜。该方法不仅设备简单，沉积温度低，在平整表面和不规则表面均能较大面积成膜，而且电解电压得到了显著的降低，成膜均匀性好，易于实现工业化，应用前景好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于类金刚石薄膜制备
，特别涉及一种液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法。
技术介绍
类金刚石薄膜(Diamond-like Carbon Films，简称DLC薄膜)具有一系列与金刚石很相似的特点，如硬度高、摩擦系数低、电阻率大、生物相容性能好、从红外到紫外有很高地透波率等，使其在机械、电子、医学、光学等领域有很好的应用前景，因此关于它的研究也越来越受到人们的关注。制备DLC薄膜的方法主要包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVP)，例如离子束沉积、阴极弧沉积、溅射沉积和等离子体增强化学气相沉积等，其中的大多数方法虽然能沉积出质量较好的薄膜，但它们或者要求较高的基底温度，使得对温度敏感的电气元件和大多数非金属材料难以充当成膜的基底，或者不能大面积成膜，而且都是在气相条件下沉积，需要复杂的设备，价格昂贵，在一定程度上限制了类金刚石薄膜的实际应用。近年来，由于廉价的设备及相对温和的沉积条件，液相电沉积技术制备DLC薄膜的研究引起了人们的广泛兴趣，与其他方法相比，电化学方法具有设备简单，节省能源，在平整表面和不规则表面均能较大面积成膜，且易于实现工业化生产等优点，结合低温常压下液相反应不仅条件易于控制，而且容易实现掺杂的特点，这一技术有望在其它新材料的制备方面得到应用和推广。自从Namba(Y.Namba，J.Vac.Sci.Technol.A，10(1992)3368)尝试用电化学的方法从乙醇中沉积金刚石薄膜以来，许多科学工作者先后尝试通过电解甲醇、乙腈和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)等有机试剂来沉积类金刚石薄膜(H.Wang，M.R.Shen，Z.Y.Ning，C.Ye，C.B.Cao，H.Y.Dang，H.S.Zhu，Appl.Phys.Lett.，69(1996)1074；D.Guo，K.Cai，L.T.Li，H.S.Zhu，Chem.Phys.Lett.，325(2000)499；K.Cai，C.B.Cao，H.S.Zhu，Carbon，37(1999)1860)，他们-->的工作表明液相电沉积技术是制备类金刚石薄膜的一种有效可行的方法。但是这些沉积过程均需要在较高的电压下进行(1000～3000V)，而且电解过程中可能放电，使实验操作起来较为困难。与此同时，Novikov(V.P.Novikov，V.P.Dymont，Appl.Phys.Lett.，70(1997)200)和Shevchenko(E.Shevchenko，E.Matiushenkov，D.Kochubey，D.Sviridov，A.Kokorin，A.Kulak，Chem.Commun.，(2001)317)在不足5V的电压下分别从乙炔的液氨溶液和乙炔基锂的二甲亚砜溶液中沉积出DLC薄膜，但是这些方法需要使用液氨或乙炔气体，而且沉积速率较低，因此有必要寻找一种更温和的途径来沉积类金刚石薄膜，以避免危险性气体的使用，同时又可在较低的电压下进行。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种条件温和的液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法。为达上述目的，本专利技术采用如下技术方案：液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法，采用二甲亚砜为电解液。电解电压为50～500V的高频脉冲直流电压。沉积温度在50～90℃；沉积过程中，汽化的电解液通过冷凝回流回到沉积池中。沉积前，基底选用硅片，先后经过在丙酮中超声处理、在氢氟酸溶液中浸泡处理；沉积中，采用高纯石墨为阳极，以经处理的基底为阴极，两极间距设置为7mm。基底还可选用不锈钢、导电玻璃、铝片。本专利技术以抛光后的高纯石墨为阳极，预处理过的待镀基片为阴极，高频脉冲直流高压电源为外加电源，通过水浴加热并利用与磁力搅拌器相连的接点温度计控制电解时的温度，通过插入电解池中的温度计测量电解液的温度，利用电解池中的磁力搅拌子搅拌电解溶液。电解池右上方的冷凝管用来冷凝挥发出的有机试剂的蒸汽，从而使电解池中的电解液的液面保持恒定。本专利技术选择介电常数较高、偶极距较大、而且甲基直接与极性基团相连的有机试-->剂二甲亚砜为电解液。利用液相电化学法制备类金刚石薄膜虽然在实验装置上类似于电镀，但又不同于电镀。主要区别在于电镀所用的电解液为导电的溶液，电解电压也较低，而制备类金刚石薄膜所用的沉积液为导电性较差的有机试剂，在较高的电压下有机试剂发生极化沉积出类金刚石薄膜。当在电极两端施加电压时，原本自由地吸附在基底上电解液分子发生极化，分子的偶极距得到增强。当施加的电压增加到一定程度时，电解液分子内部的键便会发生断裂，产生类金刚石薄膜生长的中间体CHnδ+，此中间体在负极具有较高的浓度，然后发生一系列的化学反应，最终形成类金刚石薄膜。与以往的电解液相比，二甲亚砜具有较高的介电常数(46.725)、较大的偶极距(4.1)，所以在施加电压较低的条件下，分子内部就可能会极化，然后发生断裂，最终形成类金刚石薄膜。与现有技术相比，本专利技术的优点主要有：电解电压得到了显著的降低，从1000～3000V降低到了500V以下，从而降低了能源的消耗；沉积温度低，基片温度可以控制在100℃以下，使大多数非金属材料也可以充当成膜的基底，从而使基片的选择范围扩大；制备设备简单，在平整表面和不规则表面均能较大面积成膜，易于实现工业化生产；沉积速率得到了明显的提高，而且得到的薄膜具有较好的摩擦学性能。图2示出了作为基底的单晶硅片和沉积的类金刚石薄膜在0.5N载荷下同440C不锈钢球对磨时的摩擦系数随滑动时间变化的关系曲线。从图2中A可以看出，硅片的摩擦系数随着试验的开始迅速增大，最后稳定在0.5左右。因为硅片的磨损较大，所以摩擦试验只进行了900秒。而沉积的类金刚石薄膜与440C不锈钢球对磨时，稳定阶段的摩擦系数约为0.13，而且耐磨寿命明显延长，当滑动时间达到10h时，其摩擦系数仍然保持在0.13，如图2中B所示。试验结果表明硅基底的摩擦性能较差，而在硅基底上沉积类金刚石薄膜后，抗磨耐磨性能得到了较大的改观，从而说明本方法制备的类金刚石薄膜是一种较好的固体润滑材料。附图说明图1为本专利技术所用装置结构示意图；-->图2为作为基底的单晶硅片和沉积的类金刚石薄膜摩擦系数随试验时间变化的关系曲线(A：硅片，B：DLC薄膜)。具体实施方式实施例1、以高纯的二甲亚砜为电解液，抛光高纯石墨和基底硅片为阳极和阴极，电极间距为7mm，反应温度为50℃，两极之间施加500V的高频脉冲直流电压。沉积前，作为基底的硅片在丙酮中利用超声处理10分钟，以除去表面的杂质，然后在氢氟酸溶液中浸泡5分钟，以除去表面的氧化物。制备装置见图1，采用高纯石墨3为阳极，基底硅片4为阴极，0～3000V高频脉冲直流电压电源2为外加电源，高纯的二甲亚砜为电解液，通过磁力搅拌子7和磁力加热搅拌器6搅拌电解溶液以及控制水浴槽9的温度，沉积池1左侧开口插入的温度计5用于测量电解液的温度，右侧开口插入的冷凝管8用于回流溶剂的蒸汽，从而保持液面恒定。实施例2、本实施例中，反应温度为70℃，两极之间施加300V的高频脉冲直流电压。其他同实施例1。实施例3、本实施例中，反应温度为90℃，两极之间施加50V的高频脉冲直流电压。其他同实施例1。-->本文档来自技高网...

【技术保护点】
液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法，其特征在于，采用二甲亚砜为电解液。

【技术特征摘要】
1、液相电沉积制备类金刚石薄膜的方法，其特征在于，采用二甲亚砜为电解液。2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，电解电压为50～500V的高频脉冲直流电压。3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，沉积温度在50～90℃；沉积过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治军，黄丽娜，江河清，张记升，张平余，吴志申，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]