[发明专利]一种自支撑纳米金刚石厚膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种自支撑纳米金刚石厚膜的制备方法，采用双层辉光等离子渗金属方法在硅基片表面渗钼处理形成钼促形核层；采用化学气相沉积方法在上述钼促形核层上沉积成纳米金刚石膜；继续反复交替进行在纳米金刚石膜上渗钼处理形成钼促形核层，以及在钼促形核层上沉积纳米金刚石膜的步骤；以上所述钼促形核层厚度为0.1‑1µm，纳米金刚石膜厚度控制在20‑100µm，最终在硅基片表面形成厚度为0.5‑3mm厚膜后，将硅基片腐蚀处理，得到所述的自支撑纳米金刚石厚膜。该方法通过不断施加钼促形核层，提高金刚石成核速率，抑制晶粒长大，实现纳米金刚石厚膜的制备，该厚膜具有良好的强韧性及耐磨性等综合性能。

技术领域

本发明涉及超硬材料制备技术领域，特别是一种自支撑纳米金刚石厚膜的制备方法。

背景技术

纳米金刚石膜指的是晶粒尺寸小于100nm的金刚石膜，它兼具金刚石膜与纳米材料双重特性，硬度比传统的微米金刚石膜稍低，具备常规金刚石膜优异的物理和化学性质，同时兼具表面粗糙度低、摩擦系数小、便于表面研磨抛光、电阻率低等特点，因而在微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）、生物传感器、摩擦磨损等领域比微米金刚石膜具有更好的应用前景。此外，纳米金刚石膜密光滑，缺陷和晶界尺度远比微米金刚石涂层的小，因此具有很高的弹性模量，是非常优异的声表面波基体材料。

纳米金刚石膜的应用优势十分明显，但是目前制备的纳米金刚石膜仅限于薄膜涂层，厚度仅为几到几十个微米，无法制备自支撑纳米金刚石厚膜，这限制了纳米金刚石膜的应用。造成纳米金刚石无法制备成厚膜的原因：无法在纳米金刚石沉积过程中始终保持极高的成核密度。一般在纳米金刚石沉积之前，会对衬底进行预处理，提高金刚石的形核密度，但是由于金刚石生长过程中的竞争生长机制，晶粒容易长得比较粗大，不易保持较小的尺寸，另外，纳米金刚石沉积过程中表面能不断降低，这也导致其二次形核率降低，晶粒长大。因此，制备纳米金刚石厚膜的关键技术就是在获得极高的初期成核密度的基础上，在生长过程中保持极高的二次成核率。

目前研究人员，多通过主要有宏观缺陷法、过渡层法以及偏压法来增加金刚石沉积初期的形核密度，而通过通入氩气增加反应气氛中的C2基团来提高纳米金刚石中的二次形核率。但是这些方法仅能将纳米金刚石膜的厚度提高至几十上百微米，远达不到自支撑纳米金刚石厚膜的标准。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自支撑纳米金刚石厚膜的制备方法，从而达到自支撑纳米金刚石厚膜标准，并至少提高厚膜的强韧性及耐磨性。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种自支撑纳米金刚石厚膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：

采用双层辉光等离子渗金属方法在硅基片表面渗钼处理形成钼促形核层；

采用化学气相沉积方法在上述钼促形核层上沉积成纳米金刚石膜；

继续反复交替进行在纳米金刚石膜上渗钼处理形成钼促形核层，以及在钼促形核层上沉积纳米金刚石膜的步骤；

以上所述钼促形核层厚度为0.1-1µm，纳米金刚石膜厚度控制在20-100µm，晶粒尺寸控制为10-100nm；最终在硅基片表面形成厚度为0.5-3mm厚膜后，将硅基片腐蚀处理，得到所述的自支撑纳米金刚石厚膜。

进一步地，在硅基片表面渗钼形成钼促形核层的方法包括步骤：

将硅基片置于双层辉光等离子渗金属炉中，选用纯度为99.999%的钼板作为靶材，工作气体选用高纯氩气，将硅基片与靶材采用竖直悬挂设置，对硅基片表面进行基材溅射清理，工艺参数为：工作气压20-30Pa，基材工作电压450-750V，清理时间5-30 min；

然后进行表面渗钼处理，工艺参数为：工作气压40-50Pa，溅射靶电压650-800V，基材工作电压200-500V，试样温度900-1200℃，保温时间1-30 min，得到钼促形核层。