一种金刚石薄膜表面石墨化的方法技术

本发明专利技术属于催化材料制备技术领域，提供一种金刚石薄膜表面石墨化的方法，利用强流脉冲电子束轰击金刚石表面，强流脉冲电子束轰击的微观区域能满足高温低压环境下金刚石转变为石墨的热力学和动力学条件，使石墨化仅仅发生在金刚石表面。具体包括：将清洗且去除表面氧化层的衬底置于金刚石粉悬浮液中超声处理后，放置于热丝化学气相沉积设备中的样品台上，进行精细净化和活化处理；将沉积金刚石薄膜的基材固定在强流脉冲电子束装置内部的夹持装置上处理得到表面石墨化金刚石薄膜。本发明专利技术强流脉冲电子束能量密度高，微区的高温低压条件更有利于金刚石向石墨化的转变，形成同时具有良好热导率、电导率以及氧还原催化活性的阴极催化剂。

A method for graphitization of diamond film surface

The invention belongs to the technical field of catalytic material preparation, and provides a method for graphitizing the surface of diamond film. The surface of diamond can be bombarded by high-current pulsed electron beam, and the micro-region bombarded by high-current pulsed electron beam can meet the thermodynamic and dynamic conditions for diamond to graphite under high temperature and low pressure environment, so that the graphitization is only possible. It occurs only on the surface of diamond. Specifically, the substrate cleaning and removing the surface oxide layer is placed on the sample table of the hot filament CVD equipment after ultrasonic treatment in the diamond powder suspension for fine purification and activation, and the substrate of the diamond film is fixed on the clamping device inside the high-current pulse electron beam device. The graphitized diamond films were obtained. The high-current pulsed electron beam has high energy density, and the high-temperature and low-pressure conditions in the micro-region are more favorable for the transformation of diamond into graphitization, forming a cathode catalyst with good thermal conductivity, conductivity and catalytic activity for oxygen reduction.

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石薄膜表面石墨化的方法
本专利技术属于催化材料制备
，涉及高能电子束与材料表面相互作用及材料表面相变，尤其涉及一种金刚石薄膜表面石墨化的方法。
技术介绍
燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置被广泛研究。电催化氧还原反应决定了燃料电池的工作效率，而工作效率又主要取决于阴极材料的催化强度。目前，普遍使用的阴极氧还原材料为Pt基催化剂，然而金属Pt存储量少，价格昂贵，在燃料电池工作中，因中毒、溶解与团聚现象而导致其稳定性较差。因此，研制成本低、具有有效氧还原活性的非金属阴极催化材料是很有必要的。在碱性条件下，碳基材料本身具有一定的催化性能而被广泛研究。在燃料电池运行的过程中会产生热量，因此为了有效地提高其工作效率，需要采用具有较高热导率的材料作为催化剂。热导率为2000W/(m·K)的金刚石是最佳的候选材料。但其导电性较差，表面显示催化惰性，需要对其掺杂，而掺杂后金刚石质量下降，导热率性能下降。对于应用在催化剂领域的材料而言，同时具有良好的热导率、电导率以及氧还原催化活性是亟待解决的技术难题。根据碳的温度-压强相图可知，在高温低压条件下，石墨属于稳定相而金刚石为亚稳相。在能量密度可达到109W/cm2量级的电子束作用下，完全满足金刚石石墨化的高温低压条件，而且石墨化完全有可能仅仅发生在金刚石的表面，使金刚石薄膜基底保留了高导热的性能，而表层具有催化活性。
技术实现思路
本专利技术是利用强流脉冲电子束轰击金刚石表面，强流脉冲电子束轰击的微观区域能满足高温低压环境下金刚石转变为石墨的热力学和动力学条件，使石墨化仅仅发生在金刚石表面，达到金刚石薄膜基底高导热，而表面具有电催化活性的目的。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种金刚石薄膜表面石墨化的方法，包括以下步骤：(1)依次用丙酮、乙醇、去离子水超声振荡清洗Ti片、Si片衬底并吹干。(2)将清洗后的衬底置于稀HCl溶液中超声处理去除表面氧化层，并用去离子水反复清洗至中性，氮气吹干。(3)将金刚石粉加入丙酮和乙醇的混合溶剂中，配置金刚石粉悬浮液。每1g金刚石粉对应500-1000ml丙酮和乙醇的混合溶剂，混合溶剂中丙酮和乙醇的体积比为1:1。(4)室温下，将步骤(2)得到的衬底置于金刚石粉悬浮液中超声处理20-50min后，放置在乙醇中超声清洗5-10min，并用氮气吹干待用。(5)将步骤(4)得到的衬底放置于热丝化学气相沉积设备中的样品台上，在100％氢气环境下，进行精细净化和活化处理，活化处理时间为20-40min。活化处理与金刚石薄膜沉积过程中，灯丝温度2100±100oC，衬底温度800±150℃，反应室的总压强20-70Torr。沉积时，甲烷浓度为0.5％-2％，沉积时间10-15h。(6)将步骤(5)得到的沉积金刚石薄膜的基材固定在靶板上，再将靶板放在强流脉冲电子束装置内部的夹持装置上，在电子束强度为10kA、能量为27keV、靶极距为13.5-20cm、脉冲宽度为1-5μs的条件下轰击1-5次，得到表面石墨化金刚石薄膜，使材料表面石墨化具有导电性和催化活性，同时保留底部为金刚石，具有良好的导热性。上述得到的表面石墨化金刚石薄膜应用在燃料电池领域中，移除衬底后可以作为阴极催化剂。本专利技术的有益效果为：强流脉冲电子束能量密度高，微区的高温低压条件更有利于金刚石向石墨化的转变，形成同时具有良好热导率、电导率以及氧还原催化活性的阴极催化剂。附图说明图1为实施例2金刚石薄膜经强流脉冲电子束处理前与处理后的循环伏安曲线图(通有饱和氧气的0.1MKOH溶液，扫描速率设为50mVs-1)。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1：(1)清洗：将Ti片依次在丙酮、乙醇与去离子水溶液中，超声15min并吹干；(2)预处理：将清洗后的Ti片置于2mol/L的稀HCl溶液中超声10min，去除表面氧化层，用去离子水反复清洗至中性，氮气吹干；(3)将上述Ti片置于金刚石粉悬浮液中超声处理30min，随之在乙醇中超声清洗5min，并用氮气吹干待用。(4)待用衬底放置于热丝化学气相沉积设备中的样品台上，本底真空抽至1×10-3Pa以上。通入氢气，并调节真空泵的抽速，使反应室内气压维持在50Torr，灯丝材料为钽丝，加热至2100±100℃，衬底温度800±150℃，氢气刻蚀衬底表面20min。沉积时，甲烷浓度为1.5％，沉积时间13h。(5)将沉积金刚石薄膜的Ti片固定在靶板上，再将靶板放在强流脉冲电子束装置内部的夹持装置上。抽真空至7×10-3Pa以上后开始用电子束轰击样品，轰击3次。其中，电子束流强度为10kA，能量为27keV，靶极距为18cm，脉冲宽度在1μs，电子束的束斑面积约30mm2。实施例2：(1)清洗：将Si片依次在丙酮、乙醇与去离子水溶液中，超声15min并吹干；(2)预处理：将清洗后的Si片置于2mol/L的稀HCl溶液中超声10min，去除表面氧化层，用去离子水反复清洗至中性，氮气吹干；(3)将上述Si片置于金刚石粉悬浮液中超声处理30min，随之在乙醇中超声清洗5min，并用氮气吹干待用。(4)待用衬底放置于热丝化学气相沉积设备中的样品台上，本底真空抽至1×10-3Pa以上。通入氢气，并调节真空泵的抽速，使反应室内气压维持在40Torr，灯丝材料为钽丝，加热至2100±100℃，衬底温度800±150℃，氢气刻蚀衬底表面30min。沉积时，甲烷浓度为1％，沉积时间10h；(5)将沉积金刚石薄膜的Si片固定在靶板上，再将靶板放在强流脉冲电子束装置内部的夹持装置上。抽真空至7×10-3Pa以上后开始用电子束轰击样品，轰击1次。其中，电子束流强度为10kA，能量为27keV，靶极距为16cm，脉冲宽度在3μs，电子束的束斑面积约30mm2。以上所述实施例仅表达了本专利技术的实施方式，但并不能因此而理解为对本专利技术专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石薄膜表面石墨化的方法，其特征在于以下步骤：(1)依次用丙酮、乙醇、去离子水超声振荡清洗Ti片、Si片衬底并吹干；(2)将清洗后的衬底置于稀HCl溶液中超声处理去除表面氧化层，并用去离子水反复清洗至中性，氮气吹干；(3)将金刚石粉加入丙酮和乙醇的混合溶剂中，配置金刚石粉悬浮液；(4)室温下，将步骤(2)得到的衬底置于金刚石粉悬浮液中超声处理后，放置在乙醇中超声清洗，并用氮气吹干待用；(5)将步骤(4)得到的衬底放置于热丝化学气相沉积设备中的样品台上，在100％氢气环境下，进行精细净化和活化处理，活化处理时间为20‑40min；活化处理与金刚石薄膜沉积过程中，灯丝温度2100±100℃，衬底温度800±150℃，反应室的总压强20‑70Torr；沉积时，甲烷浓度为0.5％‑2％，沉积时间10‑15h；(6)将步骤(5)得到的沉积金刚石薄膜的基材固定在靶板上，再将靶板放在强流脉冲电子束装置内部的夹持装置上，在电子束强度为10kA、能量为27keV、靶极距为13.5‑20cm、脉冲宽度为1‑5μs的条件下轰击1‑5次，得到表面石墨化金刚石薄膜，使材料表面石墨化具有导电性和催化活性，同时保留底部金刚石，具有良好的导热性；制备得到的表面石墨化金刚石薄膜可以应用在燃料电池领域中，移除衬底后作为阴极催化剂。...

【技术特征摘要】
1.一种金刚石薄膜表面石墨化的方法，其特征在于以下步骤：(1)依次用丙酮、乙醇、去离子水超声振荡清洗Ti片、Si片衬底并吹干；(2)将清洗后的衬底置于稀HCl溶液中超声处理去除表面氧化层，并用去离子水反复清洗至中性，氮气吹干；(3)将金刚石粉加入丙酮和乙醇的混合溶剂中，配置金刚石粉悬浮液；(4)室温下，将步骤(2)得到的衬底置于金刚石粉悬浮液中超声处理后，放置在乙醇中超声清洗，并用氮气吹干待用；(5)将步骤(4)得到的衬底放置于热丝化学气相沉积设备中的样品台上，在100％氢气环境下，进行精细净化和活化处理，活化处理时间为20-40min；活化处理与金刚石薄膜沉积过程中，灯丝温度2100±100℃，衬底温度800±150℃，反应室的总压强20-70Torr；沉积时，甲烷浓度为0.5％-2％，沉积时间10-15h；(6)将步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，索妮，郝胜智，黄昊，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21