一种金刚石薄膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石薄膜的制备方法，属于金刚石制备技术领域。该制备方法包括如下步骤：将预处理过的多孔金属基体置于热丝化学气相沉积装置的反应室中，向反应室中充入反应气体，令反应气体在多孔金属基体表面生长形成金刚石/碳化硅/金属复合薄膜；腐蚀获得的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜，除去其中的金属相和碳化硅相，得到金刚石薄膜；在含氧氛围内煅烧金刚石薄膜，得到具有多级孔结构的成品金刚石薄膜。该方法能够制备出具有多级孔结构的金刚石薄膜。

A preparation method of diamond film

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石薄膜的制备方法
本专利技术属于金刚石制备
，具体地指一种金刚石薄膜的制备方法。
技术介绍
多孔材料按孔径大小可分为微孔（孔径小于2nm）、介孔（孔径介于2~50nm之间）和大孔（孔径大于50nm）三种。多级孔材料是指包含了两种及两种以上孔结构的材料。由于其结合了不同孔结构的优点，在催化、吸附和电子器件等方面具有广泛的应用前景。金刚石化学稳定性高、机械强度好，具有其他材料没有的优势，但也因此，制备多孔金刚石材料十分困难。中国专利CN104178745B公开了“一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法”，其通过用混合腐蚀液腐蚀金刚石/立方碳化硅复合膜的方法，制得多孔金刚石自支撑膜。但是，该多孔金刚石自支撑膜孔径分布单一，孔隙率也比较低。
技术实现思路
为解决现有技术中多孔金刚石孔径分布单一、孔隙率较低等问题，本专利技术提供一种金刚石薄膜的制备方法。本专利技术采用的技术方案是：一种金刚石薄膜的制备方法，包括如下步骤：（1）将预处理过的多孔金属基体置于热丝化学气相沉积装置的反应室中，向所述反应室中充入反应气体，令所述反应气体在所述多孔金属基体表面生长形成金刚石/碳化硅/金属复合薄膜；其中，所述多孔金属基体为通孔泡沫铜或通孔泡沫镍；所述反应气体的体积组成为：氢气100份、甲烷1~4份、甲硅烷0.01~0.2份和氮气0.05~0.2份；加入氮气主要是为了提高薄膜的生长速率；生长过程中，反应气体的流量为300~800ml/min，反应室气压为1~3kPa；当反应气体流量和气压过低时，薄膜生长速率较慢；当反应气体流量和气压过高时，薄膜易出现缺陷；热丝温度为1600~2000℃，基体温度为600~800℃；当基体温度过低时，薄膜无法生长；当基体温度过高时，金刚石相与金属相接触处易发生石墨化现象，产生缺陷；（2）用稀酸腐蚀步骤（1）中获得的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜，除去其中的金属相，得到金刚石/碳化硅复合薄膜；（3）用酸液腐蚀步骤（2）中获得的金刚石/碳化硅复合薄膜，除去其中的碳化硅相，得到金刚石薄膜；（4）清洗并干燥步骤（3）中得到的金刚石薄膜后，将其在含氧氛围内煅烧，得到具有多级孔结构的成品金刚石薄膜；其中，所述含氧氛围的氧气体积含量为10~25%；当含氧氛围中氧气体积含量过低时，所需煅烧较长；当氧气体积含量过高时，金刚石石墨化速度过快，易使薄膜损坏；煅烧温度为500~600℃；当煅烧温度过低时，金刚石无法石墨化，当煅烧温度过高时，金刚石石墨化速度过快，易使薄膜损坏。所述多孔金属基体的开孔孔隙率≥70%。当多孔金属基体开孔孔隙率过小时，易使薄膜产生较多的缺陷。所述多孔金属基体厚度小于0.5mm。当多孔金属基体过厚时，无法获得好的沉积效果。所述预处理的具体步骤为：先将所述多孔金属基体放入含有金刚石-丙酮悬浊液中超声10~30min；再将所述多孔金属基体用乙醇洗净后干燥。所述稀酸选自稀盐酸、稀硫酸和稀硝酸中的一种或多种。所述酸液的体积组成为：1份浓硝酸和1~5份浓氢氟酸；所述酸液的温度不低于50℃。步骤（4）中煅烧时间为30-60min。当煅烧时间过短时，金刚石无法石墨化；当煅烧时间过长时，金刚石石墨化程度过大，易使薄膜损坏。本专利技术的有益效果是：多孔金属基体可以为薄膜提供孔径大于1000nm的大孔；碳化硅相可以为薄膜提供孔径在50~1000nm之间的大孔；在含氧气氛中煅烧可以为薄膜提供小孔和介孔。可以通过改变多孔金属基体的孔隙率、反应气体中的甲硅烷∶甲烷的数值，以及煅烧时的温度和含氧气氛中氧气含量等参数，控制金刚石薄膜中不同孔径的孔隙的比例，从而制备出所需的多级孔结构金刚石薄膜。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。为了突出本专利技术的重点，本文对一些常规的操作和设备、装置、部件进行了省略，或仅作简单描述。下文中，金刚石-丙酮悬浊液的金刚石颗粒大小为5nm，质量浓度为0.1%。实施例1选取厚度为0.2mm、开孔孔隙率为70%的通孔泡沫铜，先将其放入金刚石-丙酮悬浊液中超声10min，以获得较高的形核密度。再将其用乙醇洗净后干燥，得到预处理好的通孔泡沫铜。将预处理好的通孔泡沫铜置于热丝化学气相装置的反应室中。具体地，将其置于反应室中的试样支撑台上。优选地，将试样支撑台旋转，并且通水冷却，以提高薄膜的均匀性。抽真空，使反应室内气压小于100Pa后，通入氢气，使反应室内气压达到1kPa。与此同时，将热丝温度升至1600℃，将通孔泡沫铜加热至600℃。以300ml/min的流量，向反应室中通入反应气体进行沉积。其中，反应气体的体积组成为：100份氢气、1份甲烷、0.01份甲硅烷和0.05份氮气。沉积8h后，得到0.2mm厚的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜。将得到的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜放入稀盐酸中腐蚀除去通孔泡沫铜后，再放入50℃的酸液中腐蚀，除去其中的碳化硅相，得到金刚石薄膜。其中，酸液的体积组成为：1份硝酸和1份氢氟酸。将得到的金刚石薄膜洗净并干燥，放入马弗炉中。抽真空，使马弗炉内气压小于100Pa后，通入氩气和氧气的混合气体进行加热。其中，氧气的体积含量为10%。以10℃/min的升温速度，将金刚石薄膜在500℃下煅烧30min，得到样品S1。实施例2选取厚度为0.5mm、开孔孔隙率为95%的通孔泡沫镍，先将其放入金刚石-丙酮悬浊液中超声30min，以获得较高的形核密度。再将其用乙醇洗净后干燥，得到预处理好的通孔泡沫镍。将预处理好的通孔泡沫镍置于热丝化学气相装置的反应室中。具体地，将其置于反应室中的试样支撑台上。优选地，将试样支撑台旋转，并且通水冷却，以提高薄膜的均匀性。抽真空，使反应室内气压小于100Pa后，通入氢气，使反应室内气压达到3kPa。与此同时，将热丝温度升至2000℃，将通孔泡沫镍加热至800℃。以800ml/min的流量，向反应室中通入反应气体进行沉积。其中，反应气体的体积组成为：100份氢气、4份甲烷、0.2份甲硅烷和0.2份氮气。沉积10h后，得到0.5mm厚的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜。将得到的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜放入稀硫酸中腐蚀除去通孔泡沫镍后，再放入70℃的酸液中腐蚀，除去其中的碳化硅相，得到金刚石薄膜。其中，酸液的体积组成为：1份硝酸和5份氢氟酸。将得到的金刚石薄膜洗净并干燥，放入马弗炉中。抽真空，使马弗炉内气压小于100Pa后，通入氩气和氧气的混合气体进行加热。其中，氧气的体积含量为25%。以10℃/min的升温速度，将金刚石薄膜在600℃下煅烧60min，得到样品S2。实施例3选取厚度为0.3mm、开孔孔隙率为90%的通孔泡沫铜，先将其放入金刚石-丙酮悬浊液中超声15min，以获得较高的形核密度。再将其用乙醇洗净后干燥，得到预处理好的通孔泡沫铜。将预处理好的通孔泡沫铜置于热丝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n（1）将预处理过的多孔金属基体置于热丝化学气相沉积装置的反应室中，向所述反应室中充入反应气体，令所述反应气体在所述多孔金属基体表面生长形成金刚石/碳化硅/金属复合薄膜；/n其中，所述多孔金属基体为通孔泡沫铜或通孔泡沫镍；所述反应气体的体积组成为：氢气100份、甲烷1~4份、甲硅烷0.01~0.2份和氮气0.05~0.2份；生长过程中，反应气体的流量为300~800ml/min，反应室气压为1~3kPa，热丝温度为1600~2000℃，基体温度为600~800℃；/n（2）用稀酸腐蚀步骤（1）中获得的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜，除去其中的金属相，得到金刚石/碳化硅复合薄膜；/n（3）用酸液腐蚀步骤（2）中获得的金刚石/碳化硅复合薄膜，除去其中的碳化硅相，得到金刚石薄膜；/n（4）清洗并干燥步骤（3）中得到的金刚石薄膜后，将其在含氧氛围内煅烧，得到具有多级孔结构的成品金刚石薄膜；/n其中，所述含氧氛围的氧气体积含量为10~25%，煅烧温度为500~600℃。/n

【技术特征摘要】
1.一种金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将预处理过的多孔金属基体置于热丝化学气相沉积装置的反应室中，向所述反应室中充入反应气体，令所述反应气体在所述多孔金属基体表面生长形成金刚石/碳化硅/金属复合薄膜；
其中，所述多孔金属基体为通孔泡沫铜或通孔泡沫镍；所述反应气体的体积组成为：氢气100份、甲烷1~4份、甲硅烷0.01~0.2份和氮气0.05~0.2份；生长过程中，反应气体的流量为300~800ml/min，反应室气压为1~3kPa，热丝温度为1600~2000℃，基体温度为600~800℃；
（2）用稀酸腐蚀步骤（1）中获得的金刚石/碳化硅/金属复合薄膜，除去其中的金属相，得到金刚石/碳化硅复合薄膜；
（3）用酸液腐蚀步骤（2）中获得的金刚石/碳化硅复合薄膜，除去其中的碳化硅相，得到金刚石薄膜；
（4）清洗并干燥步骤（3）中得到的金刚石薄膜后，将其在含氧氛围内煅烧，得到具有多级孔结构的成品金刚石薄膜；
其中，所述含氧氛围的氧气体积含...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·斌·余，余海粟，朱轶方，陆骁莹，
申请(专利权)人：杭州超然金刚石有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33