微米及纳米金刚石薄膜的真空电镀设备制备及其组织性能

微米及纳米金刚石薄膜的制备及其组织性能研究(1)采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法在铜衬底上沉积了微米和纳米两种金刚石薄膜，过渡层均为钛－铝－钼。用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察薄膜的表面及断面形貌，用拉曼（Raman）光谱测量所得金刚石薄膜的质量，利用压痕法测试了所得薄膜的附着性能，研究结果表明：过渡层可有效提高微米金刚石薄膜在铜衬底上的附着力，反应气氛中Ar的存在可促使纳米金刚石薄膜的形成，改善薄膜表面的粗糙度。金刚石具有诸多优异的力、热、光、电等性质，同时也具有优良的化学惰性，很好的热稳定性等，在机械、光学、电子学及声学等领域有着广阔的应用前景，但是其数量稀少且价格昂贵，因而在现实中的应用是十分有限的。上个世纪80年代初苏联的Spitsyn和日本的Matsumoto等人发明了低压气相合成金刚石膜技术，用该种方法制备的金刚石薄膜，其性能接近天然金刚石，因而金刚石薄膜一经问世就迅速达到商业化应用的水平，从而在世界范围内掀起了研究金刚石薄膜的热潮。经过20多年的研究，金刚石薄膜在机械加工领域已经获得成功应用，尤其是在切削领域，如使用金刚石薄膜后的刀具可显著延长使用寿命。但金刚石薄膜应用于精细抛光领域的报道则很少。随着光学玻璃抛光工艺不断向前发展，对抛光材料的选取有了新的要求，不但要求抛光材料表面平滑、硬度适宜，而且要求其成本低廉、效率较高。纳米金刚石具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数等优点，因而具备良好的磨削性能。因而将纳米金刚石薄膜镀在可弯曲的铜箔上将可以应用于玻璃的精细加工领域。铜与金刚石具有相似的晶格结构，且铜的晶格常数为0.361nm，与金acdb,真空电镀设备，刚石的晶格常数0.357nm的晶格失配仅为1.1％。由于铜既不溶碳，又不能与碳形成碳化物，因此在铜片上直接沉积金刚石膜存在较大困难。另外，金刚石薄膜和铜的热膨胀系数相差较大，因此，在沉积结束后降温过程中，金刚石膜极易从铜片上剥离开来，碎裂成小块。因此增强膜基间的结合力是在铜衬底上制备金刚石膜的关键。本文采用Ti-Al-Mo为过渡层分别制备了微米及纳米金刚石薄膜，研究了Ti-Al-Mo过渡层对薄膜附着性能的影响以及薄膜的组织性能。1、试验1.1、衬底表面预处理实验选用10×10×0.2mm的铜片作衬底，表面预处理具体流程如下：抛光→丙酮溶液中超声清洗30min→去离子水清洗→10%的稀硫酸中浸泡12h→去离子水清洗→过渡层镀膜处理。过渡层的制备用C-S磁控溅射仪，先后溅射三种金属：钛、铝、钼，溅射沉积具体条件如下：溅射电流1A，溅射温度350℃，钛层的溅射沉积时间为20min，铝层为5min，钼层为5min，整个溅射过程中，样品架不停旋转以使膜层均匀。溅射结束后用颗粒大小为250nm的金刚石丙酮混合溶液超声处理样品10min，最后用去离子水超声清洗5min。1.2、薄膜的制备及性能表征金刚石薄膜的制备采用MPCVD法，纳米金刚石薄膜的制备通过调整气体流量等参数获得的，具体工艺参数如表1所示。表1金刚石薄膜的制备工艺薄膜的表面及断面形貌使用JSM-6700F型场发射电子扫描电镜（FE－SEM）进行观察，薄膜的微结构及纯度使用拉曼衍射（Raman）进行分析，薄膜附着力使用洛氏硬度仪进行定性测试，载荷为15kg力。2、试验结果与分析2.1、薄膜的表面形貌图1分别是微米金刚石膜和纳米金刚石膜的低倍和高倍SEM照片。可以看出微米金刚石薄膜表面相当粗糙，微米金刚石薄膜晶粒具有明显的（100）择优取向，晶粒堆积在一起导致薄膜表面出现许多突出的棱角，因而薄膜表面较为粗糙；而纳米金刚石薄膜晶粒得到细化，无明显的择优取向，晶粒尺寸15~20nm（图1，d），纳米晶粒聚集在一起形成一些微米级的小块（图1，c），由这些微米级的小块形成金刚石膜的表面，因而表面较为平坦。图1薄膜表面SEM照片2.2、薄膜的断面形貌图2分别是微米金刚石膜和纳米金刚石膜的断面SEM照片。从图中可以看出二者组织结构明显不同。图2薄膜的断面形貌微米金刚石薄膜是一种柱状组织结构，薄膜与衬底表面呈犬牙交错型（图2，a），这种薄膜与衬底间的结合力显然较高，但薄膜表面粗糙度较高，这与图1得到的结果是一致的；而纳米金刚石薄膜是一种类似于细沙堆积起来的结构，薄膜与衬底间近似一条直线，这种薄膜与衬底间的结合力显然较弱。出现这种结构的原因在于：高浓度的Ar气一方面稀释了氢气的浓度，使金刚石膜的二次形核率增加另一方面Ar从微波中吸收能量从基态转化成激发态，在等离子碰撞过程中，激发态的Ar又把能量传给CH4，从而导致C2聚合物的形成，因而薄膜沉积速率大大提高，抑制晶粒的长大，细化了晶粒。从断面形貌来看，纳米金刚石薄膜表面近程是平整的，薄膜表面较为平坦，这与图1得到结果是一致的。