专利名称：低压气相快速淀积金刚石的制作方法
低压气相快速淀积金刚石技术领域：
人类生活在地球上并非一帆风顺，依靠地球，依靠自然，为了生活的更好，需要利 用自然规律改造自然，为此人类发明、创造和总结各式各样的生活经验、技术和理论。金刚 石作为一种装饰品，早就被人类所喜爱，视为珍宝，它的各种独特性能，使它在工业上具有 更广泛的使用价值和发展前景。作为一种工业材料，人类非常需要，需要就想向自然界索 取，可是天然金刚石量少难得，人们就想人工制造，首先模仿大自然对于一般含碳物质做高 温高压处理得到金刚石。但受各种条件的限制，金刚石的体积、形状和数量远不能遂人所 愿。二、技术背景
为了用最简单的方法得到金刚石，人们想了很多办法“近年来，低压化学气相淀积 (CVD)法，生长薄膜人造金刚石成为热门的研究课题”
碳在加热中随着温度的增高发生气化，在气化中“碳原子的化学势是随着含碳气 体的分压和温度而变化，因此一定的总压和浓度的条件下，当碳原子在气相中的化学势超 过它在固体的化学势时，利用高温(约800°C)热分解可以析出碳的固体。虽然在平衡低压 下石墨是稳定相，而金刚石是亚稳定相，但两者的GitAsz自由能相差并不多，室温时仅相 差2. QkgmoF1 (0. 3eV原子-1)。在两者之间还存在一个足够高的反应势垒，析出的固相不会 轻易的相互转化。因此甲烷分解后生成石墨或金刚石的可能性都存在。如果创造一个有利 于金刚石生长的条件还是有可能只生长金刚石而不生成石墨或暂时不生成石墨，例如在热 分解的反应部位事先放入金刚石细粉作为金刚石生长的晶核就可以帮助实现这一目标。在 甲烷热分解的初始阶段析出固相的碳，这种固相碳生长在事先放置的金刚石细粉(晶核) 上就不需要成核能，而生成石墨则必须有成核能。利用是否需要成核能的差别来抵消一部 分金刚石和石墨之间的自由能差别，促使金刚石细粉变大、变重。”
据“金刚石低压气相生长的热力学耦合模型”的介绍，在所有的低压法生产金刚石 中，我最喜欢的是燃烧法，因为它简单易行，易添加其它设备。
为了对生产金刚石的进一步了解，我同时阅读和复习化学基础科学知识，好对激 活的气态碳原子采取微观控制，使其有利于金刚石生长，且能提高结晶速度。由高温高压法 可知，最后只需数毫秒就可得到金刚石，便可知金刚石在条件成熟的情况下，结晶速度是多 么快捷。根据碳原子在自由状态下的表示式和排布式还有碳原子外层电子云有一定的伸展 方向(P层电子有三种互相垂直的伸展方向)。而金刚石结晶是碳原子之间相成的化学键 (共价键)构成。“在金刚石的晶体里，每个碳原子都被相邻的四个碳原子包围，处于四个碳 原子的中心，以共价键跟这四个碳原子结合，成为正四面体结构，这些正四面体结构向空间 发展，构成一种坚实的、彼此联结的空间网状晶体。相邻的碳原子之间共用一对电子，共价 键的键长为0. 155nm，键角为109° 28'。”
“石墨的晶体是层状结构，在每一层内，碳原子排成六边形，一个个六边形排列成 平面的网状结构，每一个碳原子都跟其它3个碳原子相结合。在同一层内，相邻的碳原子以共价键结合，键长为0. 142nm。相邻两层间距离为0. 335nm。在石墨的每个碳原子最外层的 四个电子中有三个电子形成单键。第四个电子形成比较复杂的键，可以在层内移动。”三、发明内容
据以上情况，我设想这样一个办法对激活气化后的碳原子的外层电子加上四个 不同方向的外电场，使其同原子核处于金刚石结晶后的状态，即以原子核中心为正四面体 中心，把核外最外层的四个电子定位在原子核与周围四个碳原子相成共价键的方向和位 置，以便于碳原子同周边四个碳原子快速结合相成共价键。因为它们间的方向夹角与电场 一致，相互夹角为立体109° 28'。这样有利于金刚石结晶，而不利于石墨结晶，因为石 墨结晶是平面的，结晶时三个核外电子与碳原子核处于同一平面内，且键夹角为120°，第 四个电子处于平面的上下方与其周围碳原子同命运的电子相成大Π建，可在晶体中自由运 动。因此可以说外加电场后，使碳原子结晶淀积区，只结晶金刚石，不结晶石墨。
从2004年到2008年期间，对此方案进行多次推敲，发现在金刚石结晶时，第一层 原子如果其四个电子相成的四面体一个尖角是向上的(相对于金刚石晶体)，则第二层要 结晶的原子必须是一个尖朝下，其余三个尖指向斜上方，同处一个平面。接下来结晶就一直 重复这个交替过程。如果不解决这个问题，则所有游离碳原子都处在一个状态，结晶完成一 层后结晶便终止。为克服此问题，我采用矩形波脉冲电源，电源频率、电压可调。电源已在 委托加工。经过电场处理之后金刚石结晶的速度和量就被控制。
若按电源电压20伏，频率2000Hz/秒，设定每结晶一层碳原子，金刚石增厚计算
一层次0· 155+0. 155 Sinl9° 28' = 0. 155+0. 155X0. 333 =
0. 155+0. 05166 = 0. 20666nm
每秒:2000X0.20666 = 413. 323nm
每分:60X413.323 = 24799. 38nm
每小时:60X24.79938 = 14879628nm = 1. 4879628mm
四、实施方案
1、先做一个类气焊工作台，在工作台上安装八个电极板；
2、在衬板上固好金刚石晶粒；
3、操作人员准备好氧气和乙炔气体，调好比例，点火调整对准衬底；
4、接好电源；
5、测试衬底温度达800° -1000°C范围；
6、总合调试检查，金刚石结晶动态。
由于本人资金匮乏，无力做实验，故报专利以求合作之人。
权利要求
1.我分析了碳原子的物理化学性能和特点，采取对激活的碳原子的最外层四个电子， 用四个电场分别进行控制，把核外最外层电子定位在碳原子与周围四个碳原子形成共价键 的方向和位置，以便碳原子同周边四个碳原子快速结合形成共价键。
2.因为它们的方向夹角(109°28')与电场极近一致，这样有利于金刚石结晶，而不利于石墨结晶。
3.为了使金刚石结晶更快更顺利，我对加四个电场后金刚石结晶进行多方推敲，发 现在金刚石结晶时，第一层碳原子如果其四个外层电子，形成的四面体的一个尖是朝向上 (相对于金刚石晶体)，则第二层要结晶的碳原子，必须是一个尖朝向下，其余三个尖指向 斜上方并同处于一个平面。接下来结晶就一直重复这个交替过程，反之亦然。
4.为了克服激活碳原子在电场中的同一状态影响继续结晶，我们想了一个办法，对电 场加上矩形脉冲电源。
5.电源的电压和频率可随意调整，以保生产质量和速度。
全文摘要
本发明为低压气相快速淀积金刚石，属于新材料技术领域。为了用最简单的方法得到金刚石，近年来，低压气相淀积法(CVD)，生长人造金刚石薄膜成为热门的研究课题。据“金刚石低气压相生长的热力学耦合模型”的介绍，在所有的低压法生产金刚石中，我最喜欢的是燃烧法。为了提高金刚石生长速度和尺寸，为了对生产金刚石的进一步了解，我复习化学基础科学知识，详细知道碳原子的物理化学特性，在自由状态下碳原子外层电子云有一定的伸展方向。于是，对激活气化后的碳原子的外层四个电子加上四个以四面体四个高为向的电场，把碳原子核外层四个电子定位于碳原子形成共价键的方向和位置，以利于结晶金刚石而不利于结晶石墨。为了使金刚石结晶更顺利，四个电场采用矩形微波电源。初步算计每小时金刚石增厚1.4879628mm。
文档编号C23C16/27GK102031496SQ20091015790
公开日2011年4月27日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者朱英豪 申请人:朱英豪