金剛石薄膜的發(fā)展、制備及應(yīng)用

金剛石又名鉆石，除了其絢麗的色彩受到人們的珍視 到 1982年，日本科學(xué)家 Matsumoto和 Sato等使用熱絲化學(xué)
外，其所具有*的、的優(yōu)異物理和化學(xué)性能（如 氣相沉積（HFCVD）法在0.001～0.010MPa的低壓下用CH4
機(jī)械特性、熱學(xué)特性、光學(xué)特性、縱波聲速、半導(dǎo)體特性及 和 H2 的混合氣體成功地合成了金剛石薄膜，并且利用
化學(xué)惰性等）也備受人們的關(guān)注。這些性質(zhì)在自然界所有的 CVD 技術(shù)合成的金剛石薄膜物理性質(zhì)和天然金剛石基本相
材料中均是的，比如：金剛石的硬度是自然界中zui 同或相近，它們的化學(xué)性質(zhì)則*相同，這使得金剛石的應(yīng)
高的；熱傳導(dǎo)率也為已知材料中zui高的（室溫下為硅的 15 用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。這一技術(shù)的成功讓人們再次看到廣泛應(yīng)
倍、銅的5倍）；高絕緣性和從紅外到紫外的極寬透光性等。 用金剛石的曙光，從而掀起了一個研究金剛石薄膜的熱潮。
但是由于天然金剛石在自然界中的含量極少，而且價格昂
1   金剛石薄膜制備方法及其原理
貴，不可能把大量的金剛石用于工業(yè)用途上，因而人們的研
究興趣很快轉(zhuǎn)移到人工合成金剛石上來。早在 18 世紀(jì)末人 金剛石的合成方法從50年代的高溫高壓（HTHP）到80
們就通過使金剛石燃燒的辦法知道了金剛石是由碳組成，即 年代初日本科學(xué)家使用的CVD，再到今天的多種合成方
金剛石是石墨的同素異形體，因此人們就開始試圖通過石墨 法，在這將近半個世紀(jì)的時間里金剛石薄膜的制備工藝有了
來合成金剛石。  長足的發(fā)展。目前較成熟且有發(fā)展前途的方法有：熱絲CVD
隨后，美國和俄羅斯科學(xué)家在近代熱力學(xué)的指導(dǎo)下制造 法（HFCVD）、燃燒火焰沉積法（Flame deposition）、直流電
金剛石。在1955年，Berman和Simon發(fā)表了金剛石和石墨 弧等離子噴射 CVD法（DAPCVD）、微波等離子體 CVD 法
處于平衡態(tài)時的高溫和高壓線，指出在金剛石和石墨的平衡 （WMPCVD）、激光輔助 CVD 法（LACVD）。下面介紹常
線上方金剛石是穩(wěn)定的，在平衡線下方石墨是穩(wěn)定的；金剛 見的幾種制備方法及其制備原理：
[1,2]
石和石墨的表面自由能之差為 2090J/mol，暗示了在高溫高 （1）熱絲 CVD 法（HFCVD） 。此方法是熱分解法
壓平衡線附近，在催化劑的作用下，過飽和的碳可能凝結(jié)為 合成金剛石薄膜的發(fā)展，zui早是在 1982 年由日本科學(xué)家
亞穩(wěn)態(tài)的金剛石。同年，美國的General Electric公司成功地 Matsumoto和Sato等提出的。該方法雖提出較早，但目前使
合成了金剛石。他們把碳溶解在金屬（過渡金屬，如鎳、鐵、 用仍非常普遍，并且已經(jīng)發(fā)展成沉積金剛石薄膜較為成熟的
錳等）催化劑的溶液里，在 2000℃、5.5GPa 條件下，通過 方法之一。這種方法的基本原理是靠在襯底上方設(shè)置金屬熱
使過飽和碳結(jié)晶而形成金剛石。但是由于高溫高壓合成的金 絲（如鎢、鉭絲等）高溫（2000～2200℃）加熱分解含碳的
剛石呈粉末狀，生成顆粒較小且成本高，使得人工合成金剛 氣體，形成活性粒子在原子氫的作用下在襯底（保持在700～
石在實(shí)際中的應(yīng)用受到很大的限制。  1000℃）上沉積而形成金剛石。此方法簡單易行，缺點(diǎn)就是
20 世紀(jì) 60 年代，人們認(rèn)識到在碳?xì)浠衔餆峤膺^程產(chǎn) 沉積速率較慢（V<10?m/h，不均勻，工藝穩(wěn)定性差，易污
生的原子氫能夠促進(jìn)金剛石的形成，70年代中期，蘇聯(lián)科學(xué) 染。zui近還提出兩種改良的HFCVD模型：反應(yīng)氣體分送的
[3]
家觀察到原子氫能促進(jìn)金剛石的形成和阻止石墨的共生。直 HFCVD 法 （碳源氣體和氫氣由熱絲的下方和上方分別送