吸收辐射掺硼金刚石复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于绝对测辐射热计中热交换膜片及其制备的方法，特别是一种吸收辐射掺硼金刚石复合膜及其制备方法。本发明专利技术吸收辐射掺硼金刚石复合膜，是由作为热沉材料的纯金刚石片层和作为光辐射吸收材料的黑色掺硼金刚石膜层复合而成。其制备方法，是先通过一次化学气相沉积制备热沉金刚石片，再在金刚石片上通过二次化学气相沉积黑色掺硼金刚石膜层。本发明专利技术吸收辐射掺硼金刚石复合膜具有抗热冲击能力强、对辐射的吸收率较高，达９９％～９９．２％，且长期稳定不变的优点；热沉材料和吸收辐射材料表面粘附力强。因此可提高辐射热计的测量精度和灵敏度，测量周期变短；提高了绝对测辐射热计在卫星上的工作条件下的适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学辐射度测量领域中的一种用于绝对测辐射热计中的热辐 射吸收和热交换膜片及其制备方法。技术背景为了研究地球辐射收支与能量循环及其对全球环境和气候变化的影响， 需要精确测量和长期监测太阳辐照度。在卫星上用来观测太阳辐照度的仪器 是绝对测辐射热计。在测量太阳辐照度的绝对测辐射热计上需要黑色吸收辐 射材料来对辐射进行高效吸收。由于在地面上测试太阳辐照度时必然会受到 大气、云层等的干扰，所以绝对测辐射热计是安放在气象卫星上进行观测的。 这就要求绝对测辐射热计上的吸收辐射材料与热沉材料不仅要结合紧密、机 械性能好，并且要具有高的热导率和紫外辐照变化小。在本专利技术之前，用于 电校准绝对测辐射热计上的吸收辐射材料为用电镀工艺特殊制作的薄壁银圆 锥腔及腔内表面涂一薄层镜面反射黑漆，而热沉材料为金属铝筒。这几种材 料的热导率不太高，反射黑漆与银腔的粘附性不强，并且反射黑漆在卫星上 长期受紫外线照射后对辐射的吸收率会逐渐降低，这都会影响绝对测辐射热 计对太阳辐照度的测量，致使辐射计的测量精度降低、灵敏度低和测量时间 长。金刚石的晶胞特点使得它具有最高的硬度、最高的热导率和抗辐射性能， 既是电的绝缘体，又是热的良导体。所以绝对测辐射热计上的热沉材料如果 采用高纯的金刚石片，而吸收辐射材料采用掺硼黑色金刚石膜，将会获得极 佳的技术效果。但是目前由于采用的化学气相沉积方法只能制备同一纯度的金刚石片，即只能是高纯的金刚石片或黑色掺硼的金刚石膜，而很难同时进 行复合生长，因为生长条件如果在生长过程中发生改变，会造成辉光不稳定 或不同生长层脱落。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前在测量辐射设备中，如监测太阳辐照度的 绝对测辐射热计上所用的吸收辐射热交换膜片存在的缺点，提出一种吸收辐 射掺硼金刚石复合膜及其制备方法，以提高绝对测辐射热计的测量精度和使 用寿命。本专利技术吸收辐射掺硼金刚石复合膜，是由作为热沉材料的纯金刚石片层 和作为光辐射吸收材料的黑色掺硼金刚石膜层复合而成，所述金刚石片层是热导率215W/K'cm、电阻率为10" 10"Q'cm的无色透明膜片；所述黑色掺 硼金刚石膜层是由硼原子均匀分布在金刚石晶体中形成，黑色掺硼金刚石膜 的表面以(111)晶面为主的微纳尺寸金刚石晶粒组成，其热导率为10 14W/K'cm、电阻率为103 108lQ'cm，粗糙度为5nm 40jim，黑色掺硼金刚 石的晶粒直径为lnm 3(Vm，晶体形状为八面体，晶粒间形成凹坑。 本专利技术吸收辐射掺硼金刚石复合膜的制备方法，包括以下步骤a. 在MW-PCVD微波等离子体化学气相沉积系统设备中，以H2和CH4 作原料介质、金属钼片作衬底，在以下工艺条件下进行一次化学气相沉积制 备无色透明的金刚石片H2流量为200sccm， 014流量为1 3sccm，微波功率为3.8 4.2KW，沉 积气压为11 17KPa，衬底温度为750 950。C。生长速率约1 3pm/h。制备 的金刚石膜的热导率2l5W/cm，其电阻率为1013 1015&cm， 0.4mm厚， 为无色透明膜。b. 将a步骤获得的金刚石片进行研磨抛光，使其一侧表面粗糙度为 50 100nm，另 一侧表面粗糙度为< 40nm;控制金刚石片厚度在0.3 0.4mm之间；c. 将抛光后的金刚石片切割成所需的形状尺寸；d. 对切割后的金刚石片进行下述表面预处理，先用铬酸溶液浸泡30分 钟以上，然后用去离子水冲洗，即去除了金刚石片上的杂质和油脂，再将其 置于丙酮溶液中超声清洗15分钟，再置于酒精溶液中超声清洗15分钟；最 后置于去离子水中超声清洗15分钟，置于15(TC热板上烘干；e. 在上述处理后的金刚石片的表面粗糙度为50 100nm的一侧面 上进行二次化学气相沉积黑色掺硼金刚石膜，即将上述处理后的热沉金刚石 片放置在HC-PCVD热阴极直流等离子体化学气相沉积系统的试样台上，在以 下工艺条件进行黑色金刚石薄膜的沉积氢气的流量为170 sccm、甲垸的流 量为8 5sccm、硼酸三甲酯的流量为8 12sccm，沉积室内的温度为780 900°C、沉积室内的气压为125 135Torr，施加偏压710 760V，电流为8. 3 8. 9A。沉积时间2 5小时，使掺硼黑色金刚石薄膜的厚度介于10nm 4(Vm。获得的黑色掺硼金刚石膜的表面以(111)晶面为主的微纳尺寸金刚石晶粒组 成，其热导率为10 14W/cm、电阻率为103 108Q'cm。步骤a所述的金属钼片衬底，在气相沉积热沉金刚石片前按以下方式进 行预处理用金刚石研磨膏研磨15分钟，然后在丙酮溶液中超声处理10分 钟，再在酒精溶液中超声处理10分钟。步骤b所述的金刚石片的研磨抛光是先采用表面化学刻蚀，然后机 械研磨抛光，对金刚石膜双面抛光。步骤c所述的金刚石片切割是采用YAG激光切割技术对金刚石片进行高 精度切割，步骤d所述的铬酸溶液为0203溶于浓硫酸后所得到的饱和溶液。 步骤e中，在二次化学气相沉积黑色金刚石膜时，在沉积前对HC-PCVD 热阴极直流等离子体化学气相沉积系统中的加热源钽电极进行表面打磨净化处理，并用氢气和丙酮加热预处理30分钟，使钽电极表面去除氧化层杂质， 并在钽电极表面形成一层碳化钽覆盖层，以抑制过程中钽的挥发和减少金属 杂质的引入。本专利技术方法制备的吸收辐射惨硼金刚石复合膜具有抗热冲击能力强、对辐射的吸收率较高，达99% 99.2%，且长期稳定不变的优点；热沉材料和吸收辐射材料表面粘附力强。因此可提高绝对测辐射热计的测量精度和灵敏度，测量周期变短；提高了绝对测辐射热计在卫星上的工作条件下的适应性。 附图说明图1为本专利技术吸收辐射掺硼金刚石复合膜的黑色掺硼金刚石膜的表面形态。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术作进一步阐述。 实施例1本专利技术吸收辐射掺硼金刚石复合膜的制备方法，包括以下步骤(1) 一次化学气相沉积制备作为热沉材料的纯金刚石片。热沉片金刚石片是采用MW-PCVD微波等离子体化学气相沉积系统制备 的，它属于无极放电方法，在较低气压下可得到品质极高的高纯透明金刚石 膜。沉积时衬底采用金属钼板，衬底处理方法是采用金刚石研磨膏研磨30分 钟，然后用丙酮、酒精各超声处理10分钟。氢气和甲烷都是通过质量流量计 控制流量，H2流量为200sccm， CH4流量为3sccm，微波功率为4.2KW，沉 积气压为llKPa，衬底温度为85(TC，生长速率约3pm/h。制备的金刚石膜片 的热导率为15W/K*cm，其电阻率为1013^cm， 0.4mm厚，为无色透明膜。(2) 研磨抛光热沉金刚石片。由于金属钼与金刚石之问存在较大的热膨胀系数上的差异，因此金刚石 膜在冷却过程中很容易从基片上自动脱离，然后把用MW-PCVD制备的金刚石片采用表面化学刻蚀、机械抛光研磨的方法对金刚石膜双面抛光，使其一侧表面的粗糙度为50 100nm (rms)，另一侧表面的粗糙度 小于40nm ( rms)。.(3)切割热沉金刚石片。 采用YAG激光切割技术对金刚石膜进行高精度切割，达到所需设计尺寸。(4) 热沉金刚石片的表面预处理。先用铬酸浸泡加热到300°C，加热时间为50分钟，所用的铬酸为Cr203 溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种吸收辐射掺硼金刚石复合膜，其特征在于，由作为热沉材料的纯金刚石片层和作为光辐射吸收材料的黑色掺硼金刚石膜层复合而成，所述金刚石片层是热导率≥１５Ｗ／Ｋ.ｃｍ、电阻率为１０↑［１３］～１０↑［１５］Ω.ｃｍ的无色透明膜片；所述黑色掺硼金刚石膜层是由硼原子均匀分布在金刚石晶体中形成，黑色掺硼金刚石膜的表面以（１１１）晶面为主的微纳尺寸金刚石晶粒组成，其热导率为１０～１４Ｗ／Ｋ.ｃｍ、电阻率为１０↑［３］～１０↑［８］Ω.ｃｍ，粗糙度为５ｎｍ～３０μｍ，黑色掺硼金刚石的晶粒直径为１ｎｍ～３０μｍ，晶体形状为八面体，晶粒间形成凹坑。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梁中翥，梁静秋，王维彪，方伟，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]