[发明专利]掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及人工制造金刚石薄膜领域，特指一种掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法与装置，尤其适用于制备大面积的金刚石薄膜。

背景技术

金刚石薄膜有多方面的优良性能，如高的硬度和好的耐磨性，极好的化学稳定性和高热传导性，以及耐高温和抗辐射等性能而备受人们的关注，金刚石薄膜因其众多优异性能而在许多工业和新技术领域有着重要的作用。现在人们已有多种方法制备金刚石薄膜，并已经初步应用在机、电、光、声等方面。

1955年，美国通用电气公司的Bundy等人用石墨作为碳源，用Fe、Ni、Co等过渡金属作为催化剂在1500K的高温和8GPa的高压条件下首次合成人工金刚石，这种方法也称高压熔媒法。1961年，人们在不采用催化剂的情况下，通过30GPa的超高压和1500K的高温条件下直接将石墨转化成金刚石。自从1974年，日本的Setaka、Matsumoto等人采用热灯丝、微波和直流放电等方法激发CH4等含碳气体，在金刚石籽晶和非金刚石的基底材料上进行金刚石膜的研究，制备出金刚石薄膜后，人们已开发出多种低压气相沉积法，均成功地制备出金刚石薄膜。低压气相合成金刚石技术可以分为下面三种类型：第一是化学气相沉积（CVD）；第二类是物理气相沉积（PVD）；第三类是化学气相输运沉积（CVT）。根据激发方式的不同，CVD技术主要分为热丝化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、燃烧火焰化学气相沉积等制备方法。另外利用等离子制备薄膜的设备也成为一种具有很大的应用前景，如直流等离子体喷射在制备金刚石薄膜方面已取得进展。

上述的各种制备金刚石薄膜的方法，存在设备庞大，控制复杂，制备的金刚石薄膜厚度较薄且薄膜与基材结合强度较低的问题，因这些缺点限制了制备金刚石薄膜工业化的推广。同时随着金刚石刀具在现代机械加工、建筑装饰等行业的广泛应用，人们对刀具的抗压强度、使用效能和使用寿命提出了越来越高的要求，因此对大面积金刚石薄膜的表面改性显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是针对以上技术的不足，提供一种掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备方法。该方法创新采用高功率脉冲激光装置发出的强激光聚焦到石墨靶材上诱导大量的等离子体高速轰击预先均匀加热的基材表面，在基材表面形成金刚石薄膜，同时借助准分子激光器对金刚石薄膜掺杂金属粒子，实现了金刚石薄膜的表面改性，增强了金刚石薄膜的抗压强度和耐磨性。该方法制备金刚石薄膜的反应产率高，薄膜层纯度高，可实现自动化，安全可靠，尤其是能制备大面积的金刚石薄膜同时还能实现金刚石薄膜表面改性。

掺杂超细纳米结构金属粒子的金刚石薄膜制备具体方法是：高功率脉冲激光装置发出的强激光经准直扩束镜透过耐高压玻璃窗口B聚焦到在真空条件下的高纯石墨靶材表面上，石墨靶材以一定的速度自转，高能量的激光诱导出大量的等离子体高速轰击预先均匀加热的基材表面，在基材表面快速形成金刚石薄膜。移动工作台使基材和靶材处于不同的相对位置，从而实现制备大面积的金刚石薄膜。准分子激光器发出的激光经聚焦透镜A透过耐高压玻璃窗口A聚焦到以一定速度自传的金属靶材上，高能量密度的激光在金属靶材表面诱导出的由大量的金属粒子构成的等离子体高速轰击已制备的金刚石薄膜表面，大量的金属粒子有效地紧密填补金刚石薄膜颗粒表面的缝隙，形成了一层均匀的金属膜，从而实现了金刚石薄膜表面的改性，提高了金刚石薄膜的抗压强度、耐磨性等性能。同时等离子体中大量的带电粒子与金刚石薄膜表面的碳原子发生化学反应生成金属碳化物，形成了结合牢固的过渡层, 提高了金属膜和金刚石薄膜之间的结合强度，延长了金属薄膜的使用寿命。

本发明的装置包括控制系统、靶材系统、工件控制系统和辅助系统。

所述的控制系统包括：计算机、数字控制器和激光控制器。数字控制器上端与计算机相连，下端与激光控制器相连，激光控制器分别与高功率脉冲激光装置和准分子激光器相连。计算机控制马达A和马达B，同时通过数字控制器分别控制激光控制器和工作台。激光控制器控制高功率脉冲激光装置和准分子激光器。