专利名称：一种有效恢复离子注入金刚石损伤的方法
技术领域：
本发明涉及一种金刚石材料损伤的恢复方法，更具体而言，涉及一种基于飞秒激光恢复金刚石材料离子注入损伤表面的方法，该方法可用于金刚石表面由于离子掺杂，产生的金刚石晶格的空缺、间隙乃至非晶等损伤的修复，将该损伤层恢复成晶体状态，提闻金刚石材料的表面功能。
背景技术：
使用离子溅射加工金刚石材料时，由于离子注入在金刚石表面产生离子掺杂，并造成金刚石晶格的空缺和间隙等点缺陷，金刚石表面不可避免地形成一层掺杂注入离子的非晶状态改性层。而由于该损伤层材料性质发生了变化，将导致金刚石表面的质量和性质，如机械强度、硬度、耐磨性等降低。通常，对这种非晶损伤层的恢复一般采用热处理方法，使得损伤的非晶态受热融化后再冷却结晶，形成晶体。但是由于金刚石熔点较高，且当金刚石加热到800°C左右后极易石墨化。因此，金刚石材料很难使用退火等热处理方法进行有效恢复。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的上述不足提出一种合理有效地对金刚石表面由于离子注入产生损伤的恢复方法，并避免金刚石的石墨化。本发明提出的方法，能显著降低金刚石表面损伤层的厚度。本发明的技术方案如下:一种有效恢复离子注入金刚石损伤的方法，其特征在于，将经过离子注入加工的金刚石材料放置在激光设备的样品台上，在激光器和样品台之间加入能量仪以检测激光的出射能量，调节激光的出射能量至100mW-3000mW，关闭激光器，取出能量仪，调节样品台使得金刚石材料处于激光出射透镜的焦距处，调节激光器的照射时间为5ms-5000ms，打开激光器进行恢复处理。所述的激光器可以为掺镱光子晶体光纤飞秒激光器或掺钛蓝宝石激光器。本发明提出利用飞秒激光恢复离子注入的受损金刚石表面。经过激光恢复的受损金刚石表面，损伤层的厚度减少，恢复单晶状态，减少了离子注入的损伤，提高了金刚石表面质量。此方法，具有以下显著的优势:首先，这种方法的恢复效果较好。之前有研究使用较小的离子能量可以减少损伤层的厚度。但是只要存在离子溅射，损伤层就不可避免。通过飞秒激光处理可以有效地对损伤的金刚石表面进行恢复。其次，激光的能量可以 方便地连续调节，通过调节激光能量，可以得到恢复程度较好的金刚石表面。而别的恢复方法中，条件调节不能连续，或者调节范围有限，影响金刚石的恢复程度。另外，本方法方便，成本低，对环境要求低，不易带来环境污染等负效应。
图1激光修复前后改性金刚石SEM照片(a)为修复前金刚石照片，中间白色区域为离子注入改性区域；(b)为激光修复后金刚石照片。图2激光修复前后改性金刚石的拉曼测试曲线，(b)为激光修复后金刚石照片。(a)为修复前金刚石改性拉曼测试结果；(b)为修复后金刚石拉曼测试结果。
具体实施例方式飞秒激光具有脉冲短、能量高、无热效应等特点，其脉冲宽度飞秒量级，远远小于晶格间的传热系数，因此在金刚石表面不会产生明显的热效应，可避免金刚石受热易石墨化的问题，并且瞬时能量较高，可以对金刚石表面的损伤层进行有效恢复。下面结合附图和实施例对本发明进行说明。首先，利用超声清洗将被加工的金刚石材料的表面清洗干净。将清洗过的金刚石材料放置在样品台上，使用聚焦离子束等方法加工，获得特定的金刚石材料。离子束加速电压为30kV、束流0.3-3nA,入射角度为0°。其次，将经过上述聚焦离子束加工的金刚石材料在扫描电子显微镜、透射电子显微镜和激光显微拉曼光谱仪中进行观察和检测，以获得材料表面的形貌和物质性质等信息。然后，将其放置在掺镱光子晶体光纤飞秒激光设备的样品台(也可以放在掺钛蓝宝石激光器的样品台)上。在激光器和样品台之间加入能量仪以检测激光的出射能量，调节飞秒激光的出射能量至100mW-3000mW，关闭激光器，取出能量仪，调节样品台使得金刚石材料处于激光出射透镜的焦距处。调节激光的照射时间为5ms-5000ms，打开激光进行恢复处理，从而实现注入离子析出、非晶向单晶转化等不同恢复效果。将激光处理后的金刚石材料取下，放在扫描电子显微镜、透射电子显微镜和激光显微拉曼光谱仪等检测，定 性和定量确定金刚石的损伤恢复程度，评价并证实飞秒激光对由离子注入导致的金刚石表面损伤层有恢复效果。从图1可以看出，修复后金刚石改性区域的衬度与未改性区域的对比度在降低。参见图2，通过拉曼光谱数据对比可以发现，激光修复前后，离子注入改性区域金刚石单晶峰1304cm-l存在显著的恢复，证实了该方法的可行性和有效性。
权利要求
1.一种有效恢复离子注入金刚石损伤的方法，其特征在于，将经过离子注入加工的金刚石材料放置在激光设备的样品台上，在激光器和样品台之间加入能量仪以检测激光的出射能量，调节激光的出射能量至100mW-3000mW，关闭激光器，取出能量仪，调节样品台使得金刚石材料处于激光出射透镜的焦距处，调节激光器的照射时间为5ms-5000ms，打开激光器进行恢复处理。
2.根据权利要求1所述的有效恢复离子注入金刚石损伤的方法，其特征在于，所述的激光器为掺镱光子 晶体光纤飞秒激光器或掺钛蓝宝石激光器。
全文摘要
本发明属于离子溅射加工技术领域，涉及一种有效恢复离子注入金刚石损伤的方法，将经过离子注入加工的金刚石材料放置在激光设备的样品台上，在激光器和样品台之间加入能量仪以检测激光的出射能量，调节激光的出射能量至100mW-3000mW，关闭激光器，取出能量仪，调节样品台使得金刚石材料处于激光出射透镜的焦距处，调节激光器的照射时间为5ms-5000ms，打开激光器进行恢复处理。本发明能显著降低金刚石表面损伤层的厚度。
文档编号C30B33/04GK103074688SQ20131004395
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者徐宗伟, 李万里, 房丰洲, 兀伟 申请人:天津大学