热丝化学气相沉积金刚石膜的研究

【摘要】：金刚石具有优异的力学、热学、光学、电学和声学性能，引起了各界科学工作者的广泛关注。对金刚石的研究已成为材料、物理和化学界的研究热点。 本研究工作在自行设计的功率分别为1kW和10kW级的两个热丝CVD系统中进行。 首先，在小功率热丝CVD系统中引入第二根灯丝，构成了“双灯丝”的试验装置，并和衬底之间构造了不同的辅助方法，分别在直流放电和射频放电的情况下比较分析了增强沉积金刚石生长机制。结果表明，没有衬底偏压而仅在双灯丝间激发等离子体时能够显著增强金刚石的生长，据此提出了CVD金刚石的活性络和物生长模型。 其次，本文还研究了在Si_3N_4陶瓷和硬质合金两种常用基底上金刚石薄膜的结合性能，压痕试验表明，前者的粘结性能远高于后者，而且它们的剥落方式不同。重点对硬质合金YG6表面分别经酸蚀和氢原子原位脱碳预处理后沉积金刚石进行了研究，压痕试验表明：脱碳预处理的硬质合金上金刚石薄膜的粘结性能比酸蚀预处理法时提高了近一倍，并详细探讨了它们不同粘结性能的原因。 最后，设计研制了一台10kW级大功率热丝CVD设备，解决了沉积大面积金刚石厚膜过程中灯丝寿命和衬底表面温度均匀等关键问题，探索了沉积大面积金刚石厚膜的工艺。为解决热丝法沉积金刚石的灯丝污染问题，提出了钽丝表面包钨的思想，并在750A的强电流下成功地实现了包钨试验。用X射线衍射仪的薄膜附件测试分析金刚石厚膜内的晶格松弛现象，发现沉积金刚石厚膜过程中存在高温自退火的作用，运用晶格松弛的观点很好地解释了金刚石薄膜涂层刀具与厚膜钎焊刀具的耐磨性能差异。