《武汉工程大学学报》 2008年01期
73-75
出版日期：2008-01-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
热丝CVD法制备金刚石管
0引言CVD金刚石具有硬度高，耐磨损，导热性好，摩擦系数小，光学透过性好以及化学惰性高等一系列优异性能，作为一种应用前景极其广阔的功能材料，在许多应用领域有着巨大的应用潜力［1,2］.化学气相沉积法（CVD）制备金刚石薄膜使金刚石的应用有了很大的发展，但是仍然需要克服许多技术问题，例如金刚石的加工［3］.因而根据应用的要求，利用不同的工艺来生产不同结构和外形的金刚石产品很引人注目.目前，通过化学气相沉积的方法获得不同形状的金刚石已成为人们关注的焦点，特别是“自支撑”的金刚石管在高压喷头，电子场发射装置，波导，磨牙工具和分子过滤等方面具有良好的应用前景［3,4］.本文采用热丝CVD法在钨丝上沉积金刚石，然后把钨丝芯完全溶解掉，从而制备出“自支撑”的金刚石管.1实验本实验采用热丝化学气相沉积装置［5］，在直径为0.5 mm长度为30 mm的钨丝上制备金刚石薄膜，工作物质为氢气和丙酮.热丝采用两根直径为0.6 mm的钽丝，钨丝位于两根热丝的正中偏下方，平行于热丝悬空放置，钨丝两端采用等径钨丝支撑在水冷基片台上.热丝（钽丝）在使用前先进行碳化，碳化的目的主要是清洁钽丝表面，使钽丝碳化为碳化钽，防止在金刚石形核时，消耗碳源，有利于稳定实验参数，此外，高温碳化还可以让钽丝拉直以便准确的测定钽丝与钨丝的距离.钨丝表面预处理：钨丝的表面由于残留有在加工过程中使用的黑色的润滑剂，会污染真空腔体、妨碍金刚石形核，因此需要清洗掉.清洗后将钨丝放到金刚石微粉溶液中用超声波处理10 min，此方法有利于产生金刚石形核位置并在基体表面留下足够多的金刚石籽晶，在随后的形核过程中，极大地增加了金刚石的形核密度.金刚石薄膜生长条件为：热丝电压20 V；热丝电流60 A；沉积气压3.5 kPa；热丝与钨丝的表面距离8 mm；钨丝表面温度约800 ℃；生长时间6 h.将金刚石生长后的样品置于过氧化氢和氢氧化钠溶液中，并水浴加热，保持溶液温度60 ℃左右，本实验腐蚀钨丝的时间约为20 h.采用日本电子JOSL5501LV扫描电子显微镜观测表面形貌和英国Renishaw公司生产的RM1000型显微激光拉曼光谱仪分析薄膜的结构.2结果与分析图1所示是制备的金刚石管的扫描电镜图.图1（a）为金刚石管的表面形貌，表面平整光滑；图1（b）为采用过氧化氢和氢氧化钠溶液溶解掉钨丝后的金刚石管的端面形貌，金刚石管呈“自支撑”状态.图中的金刚石管厚度不是很均匀，这是由于钨丝周围的热丝分布不均匀所造成的，通过采用围绕钨丝环形布置热丝即可解决这一问题；图1（c）是金刚石管表面晶粒形貌，从中可以看出生长出来的金刚石的晶型很好，主要为<111>取向，晶粒也很细小，约为3~5 μm；图1（d）是金刚石管管壁断面形貌，从中可以看出金刚石膜是沿径向生长的，有明显的柱状生长痕迹，厚度约为20～25 μm，计算得出金刚石的生长速率约为4 μm/h.（a）金刚石管的表面形貌（b）溶解完钨丝后的金刚石管的断面形貌（c）金刚石管表面晶粒形貌（d） 金刚石管管壁断面形貌
图1制备的金刚石管的SEM图
Fig.1SEM micrograph of diamond tubes deposited by HFCVD一般地，在HFCVD中包括几个化学输运过程，在本实验中由于基体是圆柱面，使得活性粒子在钨丝表面的密度和迁移的速率不一致，距离热丝近的钨丝上表面部分活性基团浓度要高于钨丝的下半部分的表面，因此，钨丝的上表面上金刚石的生长速率比下表面要大，导致金刚石管壁不均匀，见图1（b）.为分析制备出的金刚石管的纯度，采用拉曼光谱对金刚石管进行检测.图2为HFCVD制备的金刚石管表面的Raman光谱图，图中在1 332 cm-1处有一尖锐且强度很大的金刚石特征峰，在1 550 cm-1处附近的石墨特征峰或非晶碳特征峰很低.说明有石墨化产物.由于石墨等非金刚石相碳在Raman光谱中的灵敏度是金刚石的50倍，因此，金刚石管中的石墨化产物含量非常低.说明HFCVD法生长的金刚石管的质量很好且纯度较高.图2金刚石管表面的激光拉曼光谱
Fig.2The Raman spectrum of diamond tubes只要减小本实验中钨丝的直径，就可以制备出直径更小的金刚石管，像文献［3］报道的一样，可以应用于分子过滤.由于制备的金刚石管管壁的均匀性不是很好，将通过改造热丝系统，在进一步的研究中加以解决.第1期谢鹏，等：热丝CVD法制备金刚石管
武汉工程大学学报第30卷
3结语在热丝CVD装置上制备出了“自支撑”的金刚石管，生长速度较高，达到4～5 μm/h.受实验装置限制，金刚石管的管壁的均匀性不是很好，将在进一步的研究中加以解决；用扫描电子显微镜和激光拉曼光谱仪分别进行了表征，结果表明制备出的金刚石管的表面主要为<111>取向晶型，金刚石沿径向柱状生长，金刚石管质量比较高.