一种超纳米金刚石薄膜的制备方法及装置与流程

本发明涉及超纳米金刚石薄膜制备方案技术领域，尤其涉及一种超纳米金刚石薄膜的制备方法及装置。

背景技术：

金刚石薄膜根据晶粒尺寸大小可分为微米级、纳米级和超纳米级薄膜。纳米金刚石膜是指晶粒度小于200nm的金刚石膜，而超纳米金刚石膜则指晶粒度一般小于10nm的超细晶粒。

由于超纳米金刚石晶粒小(最低可至2nm)、晶界比例高，及拥有显著的量子尺寸效应、表面效应和界面效应，且超纳米金刚石还具有沉积温度相对较低、内应力小，附着力好以及掺杂特性好的优点，因此受到了行业的广泛关注。

在机械性能方面，超纳米金刚石具有表面光滑性好和摩擦系数小的特点，适合用作旋转机械设备的耐磨层和密封涂层；在电学性能方面，超纳米金刚石薄膜表面悬挂键密度高，拥有大量的sp2键碳原子形成电子发射的导电通道，有利于价带电子从禁带中的局域态跃迁到导带，利用隧道效应从表面发射出来；在生物医学领域，超纳米金刚石薄膜润湿性好、化学惰性强以及生物兼容性好，可用作人工心脏瓣膜、人工关节和假牙等人工医疗植入器材的密封涂层，以阻隔生物有机层和无机物，从而减少外界植入物对人体机能的负面作用。此外，超纳米金刚石还具有从深紫外到远红外的全透性，可用于制备高功率激光镜片和光学窗口；拥有高达16.76km/s的纵声波速率，可提高滤波器的频率和功率承受能力，满足飞速发展的通讯行业对信号处理量的要求。

上世纪90年代，美国阿贡国家实验室采用微波等离子体化学气相沉积装置(mpcvd)，在800℃条件下首次制备出超纳米金刚石膜。

金刚石的生长机理非常复杂，至少存在20种以上由游离的碳原子和氢原子构成的多种不同成键形式的物质，且反应过程和元素种类是持续变化。其中一种制备方法为：在含有ch4和ar的气氛中，ar和ch4吸收微波能量后碰撞电离生成ar⁺和c2h2，最终生成c2基团，具体反应过程如下：

ar+e→ar^*+e

ar+e→ar⁺+2e

ch4+ar^*→chx+h

ch+ch→c2h2

ar⁺+c2h2→c2h⁺+h+ar

c2h+ar+→c2h⁺+ar

c2h⁺+e→c2+h

ch+c→c2+h

可见，该制备过程反应过程复杂且繁琐。

综上所述，现有技术方案中缺少一种过程简单的制备超纳米金刚石薄膜的制备方案。

技术实现要素：

本发明提供一种超纳米金刚石薄膜的制备方法及装置，以解决现有技术方案中缺少一种过程简单的制备超纳米金刚石薄膜的制备方案的技术问题。

第一方面，根据本发明实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

当石英钟罩内的压强达到预设压强时，对蓄能器件进行充电蓄能，使所述蓄能器件的电压达到预设电压；

接通石英钟罩内的丝杆螺母传动机构，所述丝杆螺母机构使中心电极与外部电极之间的距离缩小，当所述距离达到第一预设距离时产生电弧放电，使外部电极发射出预设能力的碳等离子体，在预设温度的衬底上形成超纳米金刚石薄膜。

在一个实施例中，所述方法还包括：

对石英钟罩内进行抽真空处理，使所述石英钟罩内的压强达到所述预设压强。

在一个实施例中，所述对石英钟内进行抽真空处理，使所述石英钟罩内的压强达到所述预设压强，包括：

采用机械泵对所述石英钟罩内进行抽真空，使所述石英钟罩内的压强降低至第一预设压强值；

采用分子泵继续对所述石英钟内进行抽真空，使所述石英钟罩内的压强降低至所述预设压强；

其中，所述第一预设压强值大于所述预设压强的值。

在一个实施例中，所述第一预设压强值为8～12pa；

和/或

所述预设压强为0.5×10^-6torr～3×10^-6torr。

在一个实施例中，所述预设电压为150～200v。

第二方面，根据本发明实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备装置，包括：

基座，及位于基座上的衬底；

加热器，设置于所述基座内部，用于使所述衬底的温度维持在预设温度；

石英钟罩，用于与所述基座形成密封体；

蓄能器件，设置在所述石英钟罩与所述基座构成的密封体内，用于储存电能；

中心电极，与所述蓄能器件的阳极连接；

外部电极，与所述蓄能器件的阴极连接；

其中，在所述外部电极与所述中心电极之间设置有预设间隙，所述中心电极可以朝向外部电极移动，从而使得所述外部电极与中心电极之间的距离达到第一预设距离，使外部电极发射出预设能量的碳等离子体，在预设温度的衬底上形成超纳米金刚石薄膜。

在一个实施例中，所述中心电极与所述外部电极的材质均为石墨，所述石墨的纯净度不低于99.99％。

在一个实施例中，所述加热器设置在所述基座内。

在一个实施例中，所述中心电极的形状为一字型，所述外部电极的形状为u字型空心圆筒结构。

在一个实施例中，所述装置还包括：

支架，用于固定所述外部电极。

本发明实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备方法及装置，在预设压强的石英钟罩内，采用内部电极与外部电极形成的电弧枪发射碳等离子体，将真空环境中被激发出的碳等离子体沉积至预设温度的衬底上，形成超纳米金刚石薄膜。本方案，可在不引入外界杂质的预设压强的环境中沉积出超纳米金刚石薄膜，沉积出的超纳米金刚石薄膜的纯净度较高；且本方案具有较高的沉积速率，可在短时间内沉积出满足用户预设厚度要求的超纳米金刚石薄膜。

说明书附图

本发明所提供的说明附图用于解释本发明，应该理解的是，如下所描述的具体实施例为构成本发明的一部分实施例，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种超纳米金刚石薄膜的制备方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

参见图1所示，本发明实施例提供一种超纳米金刚石薄膜的制备方法，所述方法包括：

步骤s102、当石英钟罩内的压强达到预设压强时，对蓄能器件进行充电蓄能，使所述蓄能器件的电压达到预设电压；

本发明实施例中，当石英钟罩内的压强达到预设压强时，对蓄能器件进行充电，进而使所述蓄能器件中储存的电能的电压达到预设电压。其中，所述蓄能器件可以为电容组蓄能器件。在此指出，石英钟罩内的压强的可以采用压力传感器来测量。

步骤s104、接通石英钟罩内的丝杆螺母传动机构，所述丝杆螺母带动所述中心电极移向外部电极之间，使所述中心电极与所述外部电极之间的距离减小，当所述距离达到第一预设距离时所述外部电极产生电弧放电，外部电极发射出预设能量的碳等离子体，在预设温度的衬底上形成超纳米金刚石薄膜。

在本发明一个实施例中，所述方法还包括：

步骤s101、对石英钟罩内进行抽真空处理，使所述石英钟罩内的压强达到所述预设压强。

在本发明实施例中，首先对石英钟罩内进行抽真空处理，使密封的石英钟罩内的压强达到预设压强，以为后续制备超纳米金刚石薄膜创造良好的气压条件。

进一步地，本发明实施例中，对石英钟罩内进行抽真空处理的可分为两个子步骤来完成，分别为：

1)采用机械泵对所述石英钟罩内的密封空间进行抽真空，使所述石英钟罩内的压强降低至第一预设压强值；

2)继续采用分子泵对所述石英钟罩内的密封空间进行抽真空，使所述石英钟罩内的压强降低至所述预设压强；

本发明实施例所提供的超纳米金刚石薄膜的制备方法，将石英钟罩内的压强降至预设压强用两步骤来完成，基于分子泵对密封空间的压力要求较高，当压力高于10pa时不能启用泵，因此，首先采用机械泵，当密封空间的压强达到10pa以内时，再采用效率较高的分子泵，如此，可以较为方便对石英钟罩内进行抽真空。

作为本发明一个具体实施例，所述第一预设压强值为8～12pa，如可为8pa、10pa或12pa；和/或所述预设压强为0.5×10^-6torr～3×10^-6torr，如可为0.5×10^-6torr、1.75×10^-6torr、3×10^-6torr。

在本发明实施例中，所述预设电压为150v～200v，如可为150v、175v或200v。

在本发明实施例中，由中心电极与外部电极构成的电弧枪每次发射电弧导致外部电极产生的高纯度碳等离子体在石英钟罩内持续存在的时间达80～120μs，每次可沉积1～1.5nm厚的超纳米金刚石薄膜。可以得出，本技术方案每次激发出的碳等离子体的数量较多、强度大，具有较高的超纳米金刚石薄膜沉积速率。除此之外，本发明实施例中的衬底不需要采用金刚石粉末研磨预处理，便能够在石英钟罩与基座构成的预设压强的密封体内生长出高纯度超纳米金刚石薄膜。

采用本发明实施例提供的方法，制备工艺简单，当蓄能器件中的电压达到预设电压时，停止对所述蓄能器件继续充电，而是接通丝杆螺旋，在丝杆螺旋的带动作用下，与蓄能器件的阳极连接的中心电极朝向与蓄能器件的阴极连接的外部电极移动，当所述中心电极与外部电极之间的距离达到第一预设距离时，内部电极与外部电极形成的电弧枪使外部电极发射出高能量高纯度的碳等离子体，沉积在衬底上，便形成超纳米金刚石薄膜。

本发明实施例提供的方法，工艺流程简单，制备超纳米金刚石薄膜的效率高，弥补了现有技术方案中缺少一种过程简单的制备超纳米金刚石薄膜的制备方案的技术空白。

第二方面，根据本发明实施例提供一种制备超纳米金刚石薄膜的装置，参见图3所示，所述装置包括：基座211，及位于基座211上的衬底212；加热器213、石英钟罩22、蓄能器件28、中心电极23及外部电极24。其中，加热器213，设置于所述基座211内部，用于使所述衬底212的温度维持在预设温度；石英钟罩22，用于与所述基座211形成密封体；蓄能器件28，设置在所述石英钟罩22与所述基座211构成的密封体内，用于储能电能；中心电极23，与所述蓄能器件28的阳极连接；外部电极24，与所述蓄能器件28的阴极连接；其中，在所述外部电极24与所述中心电极23之间设置有预设间隙，所述中心电极23可以朝向外部电极24移动，从而使得所述外部电极24与中心电极23之间的距离达到第一预设距离，使外部电极24发射出预设能量的碳等离子体，在预设温度的衬底212上形成超纳米金刚石薄膜。

在本发明实施例中，在基座211内部设置有加热器213，可以使衬底212被加热至所述预设温度，并使衬底212的温度维持在所述预设温度，而所述预设温度为衬底212的状态为熔融状态所对应的温度，因而在制备超纳米金刚石薄膜的过程中可以使衬底212的状态一直处于接近熔融状态，从而为预设能量的碳离子在衬底212上形成超纳米金刚石薄膜提供温度及状态条件。

在本发明一个实施例中，所述中心电极23与所述外部电极24的材质均为石墨电极，纯净度不低于99.99％。

在本发明实施例中，中心电极23与外部电极24的材质均为纯度不低于99.99％的石墨电极，而外部电极连接蓄能器件28的阴极，因此，外部电极的电性、电压与蓄能器件28的阴极24的电性、电压及电势均相同；同理，由于中心电极23连接蓄能器件28的阳极，因此，中心电极23的电性、电压同蓄能器件28的阳极的电性、电压及电势均相同。

在本发明一个实施例中，所述加热器213设置在所述基座211内。

在本发明一个实施例中，所述中心电极23的形状为一字型，所述外部电极的形状为空心圆筒形,而所述中心电极23有一部分位于所述外部电极的空心内，并距离外部电极24有预设距离，从而使中心电极23可以相对外部电极24移动，进而改变外部电极24与中心电极23之间的距离。作为一种可选的实施方式，外部电极24的长度为45～50cm，如可为45cm、48cm或50cm。

在本发明一个实施例中，所述装置还包括：

支架25，用于固定所述外部电极。

在本发明实施例中，在中心电极23的内部镶嵌有一字型的不锈钢棒26，用于增加中心电极23的强度，防止中心电极23受放电冲击而裂开。

在本发明实施例中，中心电极23与外电极24之间设置有一个聚四氟乙烯制作的圆形衬套27，外部电极24与所述圆形衬套27固定连接，中心电极23可在衬套内部滑动，从而使中心电极23与外部电极24之间的距离可变。

在本发明实施例中，所述衬底212采用接近熔融的衬底，衬底可为石英、铜、铂和硅等材料，衬底距离外部电极的距离为10～20mm，如可为10mm，15mm或20mm，优选15mm。

在本发明实施例中，由中心电极与外部电极构成的电弧枪每次发射电弧导致外部电极产生的高纯度碳等离子体在石英钟罩内持续存在的时间达80～120μs，每次可沉积1～1.5nm厚的超纳米金刚石薄膜。可以得出，本技术方案每次激发出的碳等离子体的数量较多、强度大，具有较高的超纳米金刚石薄膜沉积速率。除此之外，本发明实施例提供的装置中的衬底不需要采用金刚石粉末研磨预处理，便能够在石英钟罩与衬底构成的预设压强的密封体内生长出高纯度超纳米金刚石薄膜。

本发明实施例提供的制备超纳米金刚石薄膜的装置，装置结构简单，沉积超纳米金刚石薄膜的效率高，可以在短时间内沉积出满足需求的厚度的超纳米金刚石薄膜。

需要说明的是，在本发明实施例中，术语“连接”，可以是直接连接，也可以指间接连接。可以是通过导线连接，也可以是通过其他连接结构，如软管连接。本方案并不对其做具体限定。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅以一较佳实施例对本发明的技术方案进行介绍，但是对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，应能在具体实施方式上及应用范围上进行改变，故而，综上所述，本说明书内容部不应该理解为本发明的限制，凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。