专利名称：聚合物先驱体热解制备类金钢石纳米复合薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种聚合物先驱体热解制备类金刚石纳米复合薄膜的方法。
背景技术：
类金刚石碳(diamond-like carbon，DLC)薄膜由于具有极高的硬度、极好的化学惰性、极低的摩擦系数、优良的抗磨性、较高的阻抗、良好的热传导性和优良的光学透过性等优异特性，因此在机械、电子、生物、航空航天等领域具有广泛的应用前景。但是研究发现，目前用传统气相沉积技术制备的类金刚石薄膜还存在几个关键性的问题1.由于类金刚石碳膜具有较大的残余应力从而导致膜基结合强度的下降；与金属基底的物理性能不匹配，限制了类金刚石碳膜与多种金属基底(特别是钛合金和铝合金材料)的结合。2.类金刚石碳膜存在高温不稳定性的问题，当温度高于400℃时，其结构表现明显石墨化，从而导致其机械摩擦性能失效。3.气相沉积设备复杂昂贵，扰镀性差，不利于大面积工业生产，难以进行功能性元素的掺杂等。以上问题严重制约该薄膜的进一步发展和应用，急需人们去解决。
类金刚石纳米复合薄膜(diamond-like nanocomposite films，DLN films)是解决类金刚石碳膜存在问题的最佳途径之一。它是由无定型的碳和无定型的二氧化硅构成的复合薄膜，作为一种改良的DLC膜，除兼有DLC薄膜优异的特性以外，还具有同多种基底材料(金属、塑料、陶瓷、半导体等)极好的结合强度，优异的热稳定性等，因此越来越受到科研人员的重视。然而，DLN薄膜的制备仍然集中在气相沉积技术，设备昂贵，条件苛刻，掺杂元素单一，这些都严重制约着DLN薄膜的快速发展和应用。
Visscher、孙卓等利用聚合物先驱体热解技术制备出了不定型碳纳米薄膜，为从事DLC薄膜制备研究的科研人员提供了一条崭新的道路。这种制备技术与传统的气相沉积技术相比具有如下优点(1)设备简单，能量和原料来源容易，有利于大面积；(2)绕镀性好，可以在任何复杂形状的底材上沉积；(3)制备的碳薄膜具有非常优异的热稳定性，可有效地解决DLC膜存在高温不稳定性的问题。(4)易于进行元素的掺杂，从而有效地降低膜中的内应力，提高膜与基底的结合强度。因此，利用聚合物热解制备DLC膜的技术有着广阔的发展和应用前景。然而，目前国内外针对利用聚合物热解制备DLN纳米薄膜的研究还是空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉而且容易操作的制备DLN薄膜的方法。用该方法制备的薄膜均匀性好，表面光滑致密，薄膜硬度高，具有无定型碳和二氧化硅的微观结构特征。
本发明含纳米金颗粒的DLC薄膜的制备方法，采用在聚碳苯的四氢呋喃溶液中添加正硅酸乙酯，然后通过旋涂的方法将溶液涂于单晶硅表面，之后再经过高温处理得到DLN薄膜。
得到的薄膜既保持了DLC膜的结构特征，又在薄膜内部均匀掺杂了无定型二氧化硅，这可以通过对该薄膜的结构测试和与不添加正硅酸乙酯在同样工艺条件下制备得到的DLC薄膜相比较得以证实。
一种聚合物先驱体热解制备类金刚石纳米复合薄膜的方法，其特征在于，该方法是按照下列顺序步骤进行的a.在聚碳苯的四氢呋喃溶液添加正硅酸乙酯，制成混合先驱体溶液。
b.通过旋涂的方法将混合先驱体溶液涂附于单晶硅表面，待有机溶剂挥发后，在硅表面形成了正硅酸乙酯-聚碳苯薄膜。
c.将涂有薄膜的硅片在惰性气体保护下进行高温处理，然后自然降至室温，得到薄膜。
在步骤a中，聚碳苯的四氢呋喃溶液的摩尔浓度为0.01-0.1mol/L。
在步骤a中，正硅酸乙酯的摩尔浓度为0.001-0.01mol/L。
本发明中通过旋涂的方法将先驱体溶液涂于单晶硅片上，待有机溶剂挥发后，硅片表面就形成了膜厚为200～1000纳米的先驱体薄膜。
在步骤c中，将涂有正硅酸乙酯-聚合物薄膜的硅片在氩气保护下进行高温热处理，热处理温度在900℃，时间1～2h，自然冷却至室温。
本发明的制备方法与物理、化学气相沉积等方法相比较，设备和工艺过程简单，实验可控性好，制备成本低，可以实现在复杂底材上大面积合成，有利于工业应用。
该发明制备的DLN薄膜通过Raman光谱、X射线光电子能谱，原子力显微镜和X射线衍射证明薄膜既保持了DLC膜的结构特征，又在薄膜内部均匀掺杂了无定型二氧化硅，为DLN薄膜的制备开辟了一条崭新而便捷的道路。
具体实施例方式
实施例1将0.1g聚碳苯粉末溶于10ml四氢呋喃中，再添加0.005g的正硅酸乙酯，配制成聚碳苯-正硅酸乙酯/四氢呋喃混合溶液；然后通过旋涂的方法将溶液涂于预先清洗干净的单晶硅片上，待有机溶剂挥发后，硅片表面就形成了膜厚为1000纳米的先驱体薄膜；将涂有正硅酸乙酯-聚合物薄膜的硅片放入管式炉中，在氩气保护下先升温至150℃，而后恒温几十分钟，待四氢呋喃完全挥发后，再快速升温到900℃，在此温度下热处理2h，最后自然冷却至室温而制备出DLN薄膜。制备的DLN薄膜和纯DLC薄膜进行Raman光谱分析发现，二者的峰形完全一样，都出现D峰和G峰，都是典型的类金刚石碳薄膜；X射线光电子能谱分析发现C1s结合能的位置在掺杂前后没有发生位移，Si2p电子结合能的位置对应于二氧化硅；X射线衍射谱没有出现衍射峰，证明薄膜是以无定型结构存在；原子力显微镜分析可以看出薄膜表面光滑致密，表面粗糙度低；纳米硬度测试结果表明DLN薄膜的纳米硬度比DLC薄膜的纳米硬度有所提高。
权利要求
1.一种聚合物先驱体热解制备类金刚石纳米复合薄膜的方法，其特征在于，该方法是按照下列顺序步骤进行的a.在聚碳苯的四氢呋喃溶液添加正硅酸乙酯，制成混合先驱体溶液；b.通过旋涂的方法将混合先驱体溶液涂附于单晶硅表面，待有机溶剂挥发后，在硅表面形成了正硅酸乙酯-聚碳苯薄膜；c.将涂有薄膜的硅片在惰性气体保护下进行高温处理，然后自然降至室温，得到薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a中，聚碳苯的四氢呋喃溶液的摩尔浓度为0.01-0.1mol/L。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a中，正硅酸乙酯的摩尔浓度为0.001-0.01mol/L。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c中，将涂有正硅酸乙酯-聚合物薄膜的硅片在氩气保护下进行高温热处理，热处理温度在900℃，时间1～2h。
全文摘要
本发明涉及一种聚合物先驱体热解制备类金刚石纳米复合薄膜的方法。该方法是将聚碳苯溶于有机溶剂中，然后添加正硅酸乙酯，通过旋涂的方法将混合溶液涂附在单晶硅片表面，然后高温处理制备出类金刚石纳米复合薄膜。其特点是能量原料简单，制备过程简便，可在复杂基底上大面积沉积。该薄膜有望在机械工程、摩擦等领域得到广泛应用。
文档编号C23C18/04GK1796600SQ200410010589
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者杨生荣, 徐洮, 阎兴斌 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所