一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜制造技术

本发明专利技术公开了一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜，其特征在于，所述厚膜的厚度为100‑3000微米，其中1纳米≤金刚石晶粒尺寸≤20纳米。本发明专利技术采用化学气相沉积的方法，在硅基板上生长超细纳米晶金刚石，然后将硅基板与金刚石分离，获得自支撑超细纳米晶金刚石厚膜。本发明专利技术提供了一种简单、有效的化学气相沉积方法，制备了高质量超细纳米晶金刚石厚膜。

A Self-Supported Ultrafine Nanocrystalline Diamond Thick Film

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜
本专利技术涉及一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜，属于金刚石材料领域。
技术介绍
由于特殊的晶体结构和成键形式，金刚石具有高硬度、耐磨耐腐蚀、高熔点、宽带隙、高透光率、极佳的物理化学稳定性等众多优异性能，在机械加工、海洋动密封、微机电系统、场发射、光学窗口、电化学、声学、生物医学等领域具有广泛的应用。目前，常见的金刚石有两种，分别是单晶金刚石和多晶金刚石。单晶金刚石性能优异，但天然单晶金刚石数量稀少、价格昂贵，并且尺寸较小，主要应用在珠宝行业。工业用单晶金刚石往往通过高温高压和化学气相沉积(CVD)方法制备而成。高温高压金刚石内部会有残留的金属催化剂，大大降低其使用性能。CVD单晶金刚石性能可以媲美天然单晶金刚石，在机械性能和纯度等方面甚至可以超越天然单晶金刚石，但是制备比较困难，成本很高。另外，无论是天然还是人造单晶金刚石都具有各向异性的缺点，这是由于金刚石本身的晶体结构造成的，无法克服，限制了其应用。多晶金刚石一般都是以CVD金刚石膜的形式存在，分为微米晶金刚石、纳米晶金刚石和超细纳米晶金刚石。微米晶金刚石(晶粒尺寸大于100nm)结晶性较好，晶粒尺寸较大，无各向异性，硬度较高，但是断裂韧性较低，膜层表面粗糙度较大，使用之前通常需要进行激光切割、抛光加工，增加了加工工序与成本，从而限制了微米金刚石的大批量产业化应用。纳米晶金刚石(晶粒尺寸小于100nm，大于20nm)的各项物理化学性能与微米金刚石相似，而且较小的晶粒尺寸使其表面粗糙度比微米晶金刚石低得多，断裂韧性较高，大幅降低了表层研磨抛光工艺时间和成本。相对于纳米晶金刚石，超细纳米晶金刚石膜(晶粒尺寸小于20nm)由于生长过程中二次形核率非常高，晶粒尺寸不会随着厚度的增加而增大。薄膜中尺寸极小的晶粒、大量晶界和石墨相的存在使其拥有众多优异的性能，例如各向同性、极低的摩擦系数、高场发射系数、高红外透过率、高断裂韧性、更易于掺杂等，大大拓宽了金刚石膜的应用领域，在动密封和超精密加工、微机电系统、电化学和生物医学等众多领域具有潜在的应用。另外，膜层表面极其光滑，无需机械抛光就可以直接使用，使得超细纳米晶金刚石在机械加工领域、动密封领域具有非常大的优势。因此，开发一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜，对提高金刚石在高精尖行业的应用至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜。本专利技术的第一方面，提供一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜，所述厚膜的厚度为100-3000微米，其中1纳米≤金刚石晶粒尺寸≤20纳米。在另一优选例中，所述厚膜为圆形，直径为50-100毫米。在另一优选例中，所述厚膜表面光滑。在另一优选例中，所述厚膜中，2纳米≤金刚石晶粒尺寸≤16纳米。在另一优选例中，所述厚膜的厚度为200-1000微米。本专利技术的第二方面，提供第一方面所述的自支撑超细纳米晶金刚石厚膜的制备方法，通过直流热阴极辉光放电化学气相沉积和热丝化学气相沉积两步来完成超细纳米晶金刚石厚膜沉积。本专利技术的制备方法包括以下步骤：(i)通过直流热阴极辉光放电化学气相沉积，在硅片表面生长5～200微米厚的超细纳米晶金刚石层；(ii)通过热丝化学气相沉积，在超细纳米晶金刚石层上继续生长超细纳米晶金刚石，得到超细纳米晶金刚石厚膜；(iii)将硅片与超细纳米晶金刚石厚膜分离得到所述自支撑超细纳米晶金刚石厚膜。在另一优选例中，所述硅片是经过超细纳米晶金刚石粉研磨处理的硅片。在另一优选例中，所述超细纳米晶金刚石粉的粒径为5-15纳米。在另一优选例中，所述制备方法在步骤i)之前还包括对硅片进行形核处理的步骤。在另一优选例中，在氢气和甲烷中进行形核处理，氢气的流量为200-800sccm，甲烷浓度4.0-7.0％，工作气压2.5-5.0kPa，形核温度700-800℃，形核时间20-40分钟。在另一优选例中，步骤i)中，生长氛围为氢气、甲烷和惰性气体。在另一优选例中，所述惰性气体为氮气或氩气。在另一优选例中，步骤i)中，氢气的流量为200-800sccm，甲烷浓度为1.5-4.0％，惰性气体浓度为10-60％。在另一优选例中，步骤i)中，氢气的流量为300-700sccm，较佳地，氢气的流量为400-600sccm。在另一优选例中，步骤i)中生长气压2-5kPa，生长温度750-850℃，阴阳极间距50-75毫米，生长时间2-80小时。在另一优选例中，步骤ii)中，生长氛围为氢气、甲烷和惰性气体。在另一优选例中，所述惰性气体为氮气或氩气。在另一优选例中，步骤ii)中，氢气的流量为200-800sccm，甲烷浓度2-6％，惰性气体浓度为10-20％。在另一优选例中，氢气的流量为300-700sccm，较佳地氢气的流量为400-600sccm。在另一优选例中，步骤ii)中，生长气压为1.5-2.5kPa，生长时间为30-1000小时。在另一优选例中，步骤ii)中，热丝为3-20根直径0.1-0.6毫米钽丝，热丝距离样品高度13-15毫米，每根钽丝的功率为0.8-1.2kW。在另一优选例中，所述热丝是在氢气和甲烷的混合气体中进行碳化处理的热丝。在另一优选例中，碳化气压为2-3kPa，氢气的流量为200-800sccm，甲烷浓度2-6％，碳化时间10-30分钟。在另一优选例中，氢气的流量为300-700sccm，较佳地氢气的流量为400-600scc。在另一优选例中，步骤iii)中，采用氢氟酸和硝酸的混合液腐蚀硅片，把硅片完全溶解掉，获得自支撑超细纳米晶金刚石厚膜。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。说明书中所揭示的各个特征，可以被任何提供相同、均等或相似目的的替代性特征取代。限于篇幅，在此不再一一赘述。附图说明图1是实施例1所得超细纳米晶金刚石厚膜平面扫描电镜照片。图2是实施例1所得超细纳米晶金刚石厚膜截面扫描电镜照片。图3是实施例1所得超细纳米晶金刚石厚膜截面高分辨透射电镜照片。图4是实施例1所得超细纳米晶金刚石厚膜截面选区电子衍射照片。图5是实施例1所得超细纳米晶金刚石厚膜拉曼光谱。图6是实施例1所得超细纳米晶金刚石厚膜光学照片。图7是实施例1所得切割后超细纳米晶金刚石厚膜光学照片。图8是实施例2所得超细纳米晶金刚石厚膜平面扫描电镜照片。图9是实施例2所得超细纳米晶金刚石厚膜拉曼光谱。图10是实施例3所得超细纳米晶金刚石厚膜平面扫描电镜照片。图11是实施例3所得超细纳米晶金刚石厚膜拉曼光谱。具体实施方式本申请的专利技术人经过广泛而深入的研究，首次研发出一种超细纳米晶金刚石厚膜，厚度100-3000微米，1纳米≤金刚石晶粒尺寸≤20纳米。本专利技术采用化学气相沉积的方法，在硅基板上生长超细纳米晶金刚石，然后将硅基板与金刚石分离，获得自支撑超细纳米晶金刚石厚膜。本专利技术提供了一种简单、有效的化学气相沉积方法，制备了高质量超细纳米晶金刚石厚膜。在此基础上，完成了本专利技术。制备方法直流热阴极化学气相沉积生长的金刚石质量好、与基体结合力强，不容易发生脱膜，但是生长时间过长会发生阴极积碳现象，而热丝化学气相沉积可以长时间地进行金刚石生长。因此，超细纳米晶金刚石厚膜的化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜，其特征在于，所述厚膜的厚度为100‑3000微米，其中1纳米≤金刚石晶粒尺寸≤20纳米。

【技术特征摘要】
1.一种自支撑超细纳米晶金刚石厚膜，其特征在于，所述厚膜的厚度为100-3000微米，其中1纳米≤金刚石晶粒尺寸≤20纳米。2.如权利要求1所述的自支撑超细纳米晶金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(i)通过直流热阴极辉光放电化学气相沉积，在硅片表面生长5～200微米厚的超细纳米晶金刚石层；(ii)通过热丝化学气相沉积，在超细纳米晶金刚石层上继续生长超细纳米晶金刚石，得到超细纳米晶金刚石厚膜；(iii)将硅片与超细纳米晶金刚石厚膜分离得到所述自支撑超细纳米晶金刚石厚膜。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法在步骤i)之前还包括对硅片进行形核处理的步骤。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤i)和ii)中，生长氛围均为氢气、甲烷和惰性气体。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤i)中，氢气的流量为200-800scc...

【专利技术属性】
技术研发人员：江南，李赫，王博，易剑，曹阳，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33