专利名称：用于电极的导电金刚石薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明是关于一种用于电极的导电金刚石薄膜及其制备方法，它主要是用于电化学分析和检测时的电极，以提高测试精度、重复精度以及延长电极使用寿命。
背景技术：
在化学领域中，常常使用通电的方法检验和分析液体和气体的化学成分，有时这些液体和气体具有强烈腐蚀作用，很容易腐蚀通电电极，造成测量精度下降甚至损坏。我们知道金刚石具有非常好的化学稳定性和机械性能，然而不管是天然还是合成的的金刚石或者是利用化学气相沉积制备的金刚石薄膜都是不能导电的(金刚石的禁带宽度为5.5ev)。这就限制了它在电学领域的应用。最近研究提出，通过使用不同的掺杂源和掺杂方法对金刚石薄膜进行掺杂，可使金刚石薄膜成为P型半导体，从而能够导电。在先技术(参见F.Beck，H.Krohn，W.Kaiser，M.Fryda，C.P.Klages，L.Schafer，“Boron doped diamond/titanium composite electrodes for electrochemical gasgeneration from aqueous electrolytes”，ELECTROCHIMICA Acta44(1998)p.525-532)提供一种在金属钛表面镀一层掺硼金刚石薄膜(掺硼浓度按重量百分比为0.023％(230ppm)形成一种复合电极，用于电解溶液。然而这种电极也有一些缺点1.掺硼金刚石薄膜容易从金属表面脱落，造成电极损坏；2.未被金刚石薄膜覆盖的金属部分会发生腐蚀，造成电极性能下降；3.掺硼浓度低，薄膜导电性能差，无法用于精密检测；
发明内容
本发明的用于电极的导电金刚石薄膜是一种掺硼金刚石薄膜，薄膜中含有硼按重量百分比为0.3％至0.5％，碳的含量为99.5％至99.7％。薄膜厚度通常为0.2mm至2mm。值得注意的是如果掺硼含量低于0.3％，即低于千分之三，获得的掺硼金刚石薄膜导电性能差；如果掺硼含量高于0.5％，即高于千分之五，则获得的掺硼金刚石薄膜质量差，不能形成完整的结晶结构，牢固度降低。
本发明上述结构的导电金刚石薄膜可以直接用作电极，无需再依附在金属基底或其他基底上。因此，本发明的薄膜克服了在先技术中以金属钛加一层掺硼金刚石薄膜构成的复合电极所存在的缺点。本发明薄膜的电极用于电解溶液中，不存在金刚石薄膜与基底脱落的问题，也不存在有金属被腐蚀的问题，所以，本发明的导电金刚石薄膜用作电极不怕腐蚀、化学稳定性好；牢固、机械性能好；能够导电、而且导电稳定性好，是一种用于电化学分析和检测中的电极较理想的导电薄膜。
上述发明的导电金刚石薄膜的制备方法采用微波增强化学气相沉积方法。具体的制备过程是<1>首先选硅作为基底，在制作导电金刚石薄膜的硅基底表面上，先用喷砂工艺进行处理，然后将硅基底浸在丙酮中，用超声波清洗。经过清洗后的硅基底再置入金刚石粉与酒精混合的混合液中，用超声波作用20分钟后。再用纯净水冲洗干燥后，将其置于沉积室内；<2>选用碳源的反应气体为氢气(H2)和甲烷(CH4)的混合气体；<3>选用掺硼气源按体积百分比为含有1％的硼酸三甲酯和99％的氢气(H2)的混合气体；<4>将置于沉积室内的硅基底加热至800℃或大于800℃，将上述反应气体和掺硼气源送进沉积室内，并控制气体流速，其中控制氢气(H2)流速为500～2000cm3/min(立升/分)，甲烷(CH4)流速为5～25cm3/min，硼酸三甲酯流速为0.01～0.03cm3/min；<5>采用大于2GHz(2×109赫兹)的微波频率向沉积室内发射微波，使沉积室内气体产生等离子体，金刚石薄膜开始生长，待金刚石薄膜生长结束后，在纯氢气下慢慢冷却至室温，从沉积室内取出，将其金刚石薄膜剥离硅基底待用。
如上所述的本发明的掺硼导电金刚石薄膜是通过微波增强化学气相沉积方法在硅表面沉积一层高浓度掺硼导电金刚石薄膜，高掺硼导电金刚石薄膜厚度在0.2mm和2mm之间，金刚石薄膜为多晶结构。然后从硅基底上剥落下金刚石膜，再用激光切割成所需形状，激光可采用掺钕钇铝石榴石(NdYAG)激光器，激光波长为1.06um。从而完成一种新型导电金刚石薄膜电极。
微波等离子体增强的化学气相沉积法和热丝法化学气相沉积法一样，是目前合成金刚石薄膜实用的方法。微波等离子体增强的化学气相沉积过程是采用大于2GHz的微波频率并通过微波放电使碳源混合气体离解成为等离子体状态，再使碳原子C在沉积过程中形成金刚石薄膜。微波等离子体具有电离度高(达10％)、电子动能大、合成压力范围宽、沉积速率快等特点，在化学气相沉积金刚石膜中是一个极为重要的方法。上述制备过程中的第三步所提的本发明用于金刚石膜掺硼的硼源是无毒的硼酸三甲酯(TMB)，它是一种TMB和H2的混合气源，其中TMB占1％。
在沉积导电金刚石薄膜前，先使用喷砂工艺处理硅基底表面，然后浸在丙酮中，用超声波清洗后。接着采用金刚石粉(通常采用纳米金刚石粉和一般金刚石粉混合)与酒精混合配制成一种混合液，并把硅基底放入这混合液中用超声波作用20min后。这些处理的目的在于硅基底表面生成籽晶，易于金刚石薄膜的生长。处理结束后用纯净水冲洗，干燥后装入沉积室内。
上述制备过程的第四步中控制气体的流速主要是控制生长的金刚石薄膜的含量。薄膜的厚度可以控制薄膜的生长时间来决定，要求薄膜厚一点的则生长时间相对要长一些，要求薄膜薄一点的生长时间就要相对短一些。当薄膜生长结束后，在纯H2气下慢慢冷却到室温。然后从沉积室中取出，剥落金刚石膜，再用激光切割成所需要的电极形状。用本发明的制备过程制成的导电金刚石薄膜牢固而且导电性能良好。
具体实施例方式如上述的制备过程选用硅作基底，将硅基底表面用喷砂处理后浸在丙酮中，用超声波清洗5分钟后，再置入用纳米金刚石粉和一般金刚石粉混合粉与酒精混合的混合液中，用超声波作用20分钟后，用纯净水冲洗干燥后置入沉积室内。
反应气体中的氢气(H2)和甲烷(CH4)纯度为99.999％。
硅基底加热至810℃，并在生长过程中始终保持为810℃。
掺硼气源中硼酸三甲酯(TMB)的流速控制在0.03cm3/min。
氢气(H2)的流速控制在1000cm3/min。
甲烷(CH4)的流速控制在10cm3/min。
沉积室内的反应压强控制在2500帕斯卡(Pa)。
向沉积室内发射的微波频率为2.45GHz，微波功率为800W。
在上述条件下，所生长出的金刚石薄膜含量为硼的含量是0.35％，碳的含量是99.65％。
控制薄膜的生长时间，当生长5个小时，金刚石薄膜厚度为0.2mm，当生长12个小时时，金刚石薄膜厚度为0.5mm。当生长50个小时时，金刚石薄膜厚度为2mm。
上述所制成的金刚石薄膜用作电极时，使用精密电阻表对所制的金刚石薄膜进行测试，当金刚石薄膜的电极为10*10*0.5mm方形片时，测试结果表明电阻仅为580ohm。说明了本发明的掺硼金刚石薄膜具有非常好的导电性。另外导电金刚石薄膜具有高硬度、高热导率、光学透明、高抗腐蚀性，用它作为电极大大提高了仪器测试精度、重复精度和使用寿命。
权利要求
1.一种用于电极的导电金刚石薄膜，含有硼和碳，其特征在于按重量百分比，薄膜中硼的含量为0.3％至0.5％，碳的含量为99.5％至99.7％。
2.一种用于电极的导电金刚石薄膜的制备方法，采用微波增强化学气相沉积方法，其特征在于具体制备过程是<1>选用硅作为基底，制作薄膜的硅基底表面上，先用喷砂工艺进行处理，然后将硅基底浸在丙酮中，用超声波清洗。经过清洗后的硅基底再置入金刚石粉与酒精混合的混合液中，用超声波作用20分钟后。再用纯净水冲洗干燥后，将其置于沉积室内；<2>选用碳源的反应气体为氢气和甲烷的混合气体；<3>选用掺硼气源按体积百分比为含有1％的硼酸三甲酯和99％的氢气的混合气体；<4>将置于沉积室内的硅基底加热至800℃或大于800℃，将上述反应气体和掺硼气源送进沉积室内，并控制气体流速，其中控制氢气流速为500～2000cm3/min，甲烷流速为5～25cm3/min，硼酸三甲酯流速为0.01～0.03cm3/min；<5>采用大于2GHz(2×109赫兹)的微波频率向沉积室内发射微波，使沉积室内气体产生等离子体，金刚石薄膜开始生长，待金刚石薄膜生长结束后，在纯氢气下慢慢冷却至室温，从沉积室内取出，将其金刚石薄膜剥离硅基底待用。
全文摘要
一种用于电极的导电金刚石薄膜及其制备方法,主要适用电化学分析和检测时的电极。本发明的薄膜中含有硼为0.3%至0.5%,含碳量为99.5%至99.7%。采用微波增强化学气相沉积方法制备。制备过程中,选用硅作为基底,硅基底要经过喷砂、清洗以及置入金刚石粉与酒精混合液中用超声波作用等处理后放入沉积室内。选用氢气和甲烷的混合气体为碳源的反应气体。选用1%的硼酸三甲酯和99%的氢气的混合气体为掺硼气源。向沉积室内发射频率大于2GHz的微波,使沉积室内气体产生等离子体。控制上述气源的流速和生长时间,就可以获得所要求的金刚石薄膜的含量和厚度。本发明的金刚石薄膜可直接用作电极,无需依附金属基底,不怕腐蚀,化学、机械与导电性能均良好。
文档编号C23C16/26GK1341774SQ0112642
公开日2002年3月27日 申请日期2001年8月9日 优先权日2001年8月9日
发明者龚辉, 范正修 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所