[发明专利]一种硼氮共掺杂金刚石纳米片/掺硼金刚石薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种硼氮共掺杂金刚石纳米片/掺硼金刚石薄膜及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：步骤1，对衬底进行打磨、清洗、干燥，置于金刚石微纳粉末的悬浊液中，使金刚石微纳颗粒在衬底表面形核；步骤2，将经过步骤1处理的衬底置于密闭的反应腔室，甲烷、硼源及氢气构成的混合气氛，达到预定温度时，反应室中气体分解或放电，同时在电磁场作用下，在基底上生长出掺硼金刚石薄膜；步骤3，以甲烷为原材料，同时向反应腔室内引入氮源和硼源，掺硼金刚石薄膜为基底外延生长硼氮共掺杂金刚石纳米片。本发明的硼氮共掺杂金刚石纳米片/掺硼金刚石薄膜在高功率密度和超快速充放电上表现出优异的性能。

技术领域

本发明涉及化学气相沉积技术领域，特别是涉及一种硼氮共掺杂金刚石纳米片-掺硼金刚石薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

金刚石是自然界硬度最高的材料，其由碳原子排列成四面体结构，碳原子之间以sp³杂化轨道与周围4个碳原子以共价键结合形成一种原子晶体，赋予了它优异的物理、化学等性质。而掺杂金刚石包括硼掺杂、氮掺杂甚至硼氮共掺杂的金刚石，会被赋予P型、N型半导体特性，表现出丰富的电学、电化学、光学、以及机械性能。

当这些掺杂金刚石尺寸缩小至纳米尺度，由于还具有了纳米材料的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等在纳米电化学转换器、生物传感器、光学器件、以及储能器件上具有广阔的应用前景。

在金刚石表面形成纳米结构的常规制备工艺主要分为反应刻蚀法和化学气相沉积法等。其中，化学气相沉积法具有不使用催化剂、操作简单，薄膜厚度可控的优势。现有技术中无法通过简易的化学气相沉积法制备共掺硼氮金刚石纳米片，并且在制备过程中需要引入有毒源作为掺杂源，比如常用的硼源有甲硼烷、乙硼烷和三甲硼烷等气体硼源，具有很强的毒性，常用的氮源有吡啶、氨气等，都是潜在性有害掺杂源。除此之外，制备纳米片常用微波等离子体薄膜沉积系统(MPCVD)，必须要用到催化剂、比如常用的Fe、Au-Ge和镍等，制备步骤繁琐。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种硼氮共掺杂金刚石纳米片/掺硼金刚石薄膜及其制备方法。

本发明的另一个目的是提供所述硼氮共掺杂金刚石纳米片/掺硼金刚石薄膜的应用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种硼氮共掺杂金刚石纳米片/掺硼金刚石薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，对衬底进行打磨、清洗、干燥，置于金刚石微纳粉末的悬浊液中，使金刚石微纳颗粒在衬底表面形核；

步骤2，将经过步骤1处理的衬底置于密闭的反应腔室，甲烷、硼源及氢气构成的混合气氛，达到预定温度时，反应室中气体分解或放电，同时在电磁场作用下，在基底上生长出掺硼金刚石薄膜；

步骤3，以甲烷为原材料，同时向反应腔室内引入氮源和硼源，以掺硼金刚石薄膜作为基底外延生长硼氮共掺杂金刚石纳米片。

在上述技术方案中，所述步骤1中，选择钽片或者钛片作为衬底，用砂纸将其表面打磨预处理，去除表面杂质并打磨出均匀且方向一致的划痕，将处理后的基片依次在超纯水、无水乙醇、超纯水清洗；

将清洗后的基片放入粒径在5～10nm的金刚石微纳粉末的悬浊液中，超声研磨50～75min，使金刚石微纳颗粒在基片表面形核，将形核处理后的基片在超纯水中超声清洗10～15min，并用烘烤灯将钽片拷干。

在上述技术方案中，所述金刚石微纳粉末的悬浊液为金刚石微纳粉末与丙酮、无水乙醇或超纯水混合而成，且悬浊液中金刚石微纳粉末含量1-3mg/mL。