微波等离子体化学气相沉积制备金刚石薄膜的实践
微波等离子体化学气相沉积制备金刚石薄膜的实践[20191211094913]
摘 要
金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度，高折射率和高导热系数，以及极高的抗磨损性，抗腐蚀性及化学稳定性。但由于天然金刚石资源数量的非常稀少,人工通过高温高压制得的金刚石成本特别的昂贵，工艺极其繁杂且制得的金刚石尺寸又十分的有限等限制因素，使得金刚石的多种应用受到极大的限制,人们难以利用金刚石的上述优异的性能。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是制备金刚石薄膜的一个非常重要方法,能制备出大面积均匀的表面平整光滑的金刚石薄膜。微波等离子体化学气相沉积法金刚石薄膜的成功发展不单单可以带来巨大的经济效益,而且更为重要的是其方法制备的金刚石与天然金刚石无异，可以把金刚石材料的全部特性及其应用发挥到极致,本文章概述了MPCVD方法制备金刚石薄膜的具体情况,介绍了MPCVD方法制备金刚石薄膜装置的典型类型及其特点。
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关键字:微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜
目 录
第一章 绪论 1
第二章 等离子体(Plasma)概述 3
2.1 等离子体的定义： 3
2.2等离子体产生的原理 3
2.3 等离子体特性： 3
2.4 等离子体技术介绍及应用 3
第三章 化学气相沉积的概述 6
3.1 化学气相沉积的定义 6
3.2 化学气相沉积的应用 6
3.3 化学气相沉积技术的优点 6
3.4 化学气相沉积技术的缺点 6
第四章 微波等离子体化学气相沉积制备金刚石薄膜 7
4.1 实验目的 7
4.2 实验仪器与原材料 7
4.3 仪器工作原理 8
4.4等离子体仪器结构和说明图..8
4.5 实验操作流程 9
4.5.1 实验前准备工作： 9
4.5.2 金刚石薄膜的制备： 9
4.5.4匹配调节和C-H比例调节...10
4.6 通过XRD来测量实验成品 11
4.7 实践小结...13
结束语 14
参考文献 15
致谢 16
第一章 绪论
金刚石是碳的单一元素的结晶体，其晶体结构属于原子密度最高的等轴面心立方系。金刚石晶体中碳原子间以sp3杂化共价键连接，分子间的结合力，稳定性和方向性都极强。金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度，高折射率和高导热系数，以及极高的抗磨损性，抗腐蚀性及化学稳定性。但由于天然金刚石资源数量的非常稀少,人工通过高温高压制得的金刚石成本特别的昂贵，工艺极其繁杂且制得的金刚石尺寸又十分的有限等限制因素，使得金刚石的多种应用受到极大的限制,人们难以利用金刚石的上述优异的性能。化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,简称CVD）法制备金刚石膜后，才使金刚石得以以工业化的规模在多个领域受到广泛应用。微波等离子体化学气相沉积法金刚石薄膜的成功发展不单单可以带来巨大的经济效益,而且更为重要的是其方法制备的金刚石与天然金刚石无异，可以把金刚石材料的全部特性及其应用发挥到极致,因此CVD制备金刚石法必将成为世界生产生活，工业经济的重要支撑产业。现在金刚石的消耗量是继钢铁消耗量之后的衡量一个国家工业化发展程度的另一个重要的标准。到目前为止金刚石在以下几个方面用途广泛。
1)单晶金刚石的高硬度和抗磨损性可以满足超精密切削对刀具材料要求，是理想的的超精密切削刀具材料。
2）金刚石的高硬度和极优异的光学性质组合使得金刚石在开发永不磨损的摄像机，照相机，液晶电视等各种红外光学镜头及液晶屏幕领域具有令人期待的发展前景。如iPhone6手机据传已经使用了金刚石材质的屏幕。
3）单晶金刚石薄膜若成功开发将使现有应用的电子元器件更新50%以上，而且由于金刚石的高导热性，抗酸碱性，抗辐射，抗高温等优良特性使得制得的电子元器件在极其恶劣的环境下也能很稳定的工作。
4）金刚石在军事领域也有很广泛的应用。金刚石制得的新型抗磨损高稳定性的发动机有助于战机的高性能作战；金刚石制得的高硬度头盔将很好的保护士兵们的生命安全；以及各作战装备的抗导弹保护罩，降低破损作战装备的几率。
到目前为止，经过多年的潜心研究和制备工艺的快速发展，人们已经成功的设计和开发出不同结构和满足不同应用领域的金刚石材料，这些金刚石材料无论是在日常生活中还是在某些前沿领域都发挥着极其重要的作用，金刚石薄膜的研究被认为是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一，我国也投入大量资金和众多前沿科学家进一步发展和研究金刚石薄膜，以谋求金刚石薄膜的深度前沿应用。
第二章 等离子体(Plasma)概述
2.1 等离子体的定义
通过一定的物理和化学手段，（例如通过高温加热、直流放电、射频、激光、高能微波等形式激发），气体分子离解出的电子、离子、原子、分子等粒子所组成的集合体就叫做等离子体。无论气体是部分电离还是完全电离，等离子体中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，因此总电荷数为0所以称所组成的集合体为等离子体[ 1 ]。等离子体是一种良好的的导电体，利用经过人为精心设计的磁场能够移动加速和捕捉等离子体。等离子体物理的发展为信息、材料、电子领域、工业工具领域、能源、空间物理、环境空间、地球物理等前沿科学的突破性发展提供了一种全新的工艺和技术。
2.2等离子体产生的原理
在等离子的气体中，我们可以用XY结构的类型分子来形容双原子分子。实验中如果用电子碰撞此类的分子，如果电子所拥有的能量比较小的话那么电子会和双原子分子发生大家所熟悉的弹性碰撞，而发生弹性碰撞的时候电子的动能是不会发生改变的。但是如果当电子碰撞的时候拥有很高的能量的话那么电子和核碰撞的时候会获得很大的能量。这些电子会被激发到离核比较远的地方，这些分子可以叫做激发状态的分子。双原子分子可以用XY来形容的，如果激发态的分子从比较高的能级跃迁到比较低的能级时候会发出些多余的能量，这个过程就可以叫做“退激。我们都知道分子可以发生电离，那么什么情况下分子会发生电离呢，经过科学研究如果碰撞的电子拥有很高的能量的话那么它就可以脱离核的束缚。电子对分子XY碰撞也可以使此分子分解成为X原子和Y原子。可以用“：”来表示分子中成键的电子对，分解之后可以表示为X：Y—>X+Y。这样的电子会使分子容易发生化学反应，所以可以称为化学活性或者基团。
2.3 等离子体特性
a)电中性：等离子体宏观上呈现中性，即对外变现是中性；等离子体内部具有正电荷，也有负电荷
b)德拜屏蔽长度：描述了等离子体的电荷分离的最大线性尺寸，它是指以维持等离子区电中性的范围
c）等离子体（振荡）频率：相当数量的正电荷产生电子集体振荡的平衡位置，在静电等离子体振荡成为振荡频率被称为其的等离子体频率
d)导电性和介电性：等离子体能同时表现出导电性和介电性两种特性
e)等离子体的磁约束：在一个恒定磁场的带电粒子通过洛伦兹力的作用，通过总应力分析的运动可以根据带电颗粒的螺旋轴的磁力线轨迹
等离子体分类：
按产生方式分类可分为:天然等离子体和人工等离子体（包括气体放电法，射线辐射法，光电离法，热电离法，冲击波法等）
按电离度分类可分为：完全电离等离子体;部分电离等离子体;弱电离等离子体
按热力学平衡分类分为：完全热力学平衡等离子体； 局域热力学平衡等离子体； 非热力学平衡等离子体
按系统温度分类可以分为：高温等离子体和低温等离子体
按等离子体粒子的密度分类可分为:致密等离子体（也可称为高压等离子体）
和稀薄等离子体（也可称为低压等离子体）
2.4 等离子体技术介绍及应用
在等离子体技术的应用中，微波等离子体的消耗成本低，运行效率高，没有电极，并且具有低功耗和大面积等特点，特别适用于在超大规模集成电路的制备，金属制品和高聚物制品及薄膜的的表面改性，新材料（包括薄膜和体材料）和大功率电子器件的制造，新型照明光源和紫外光源的深度开发、纳米结构的材料及机械产品的开发等高技术领域，这些领域是当前等离子体应用技术发展的最前沿科技领域。
摘 要
金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度，高折射率和高导热系数，以及极高的抗磨损性，抗腐蚀性及化学稳定性。但由于天然金刚石资源数量的非常稀少,人工通过高温高压制得的金刚石成本特别的昂贵，工艺极其繁杂且制得的金刚石尺寸又十分的有限等限制因素，使得金刚石的多种应用受到极大的限制,人们难以利用金刚石的上述优异的性能。微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)是制备金刚石薄膜的一个非常重要方法,能制备出大面积均匀的表面平整光滑的金刚石薄膜。微波等离子体化学气相沉积法金刚石薄膜的成功发展不单单可以带来巨大的经济效益,而且更为重要的是其方法制备的金刚石与天然金刚石无异，可以把金刚石材料的全部特性及其应用发挥到极致,本文章概述了MPCVD方法制备金刚石薄膜的具体情况,介绍了MPCVD方法制备金刚石薄膜装置的典型类型及其特点。
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关键字:微波等离子体化学气相沉积金刚石薄膜
目 录
第一章 绪论 1
第二章 等离子体(Plasma)概述 3
2.1 等离子体的定义： 3
2.2等离子体产生的原理 3
2.3 等离子体特性： 3
2.4 等离子体技术介绍及应用 3
第三章 化学气相沉积的概述 6
3.1 化学气相沉积的定义 6
3.2 化学气相沉积的应用 6
3.3 化学气相沉积技术的优点 6
3.4 化学气相沉积技术的缺点 6
第四章 微波等离子体化学气相沉积制备金刚石薄膜 7
4.1 实验目的 7
4.2 实验仪器与原材料 7
4.3 仪器工作原理 8
4.4等离子体仪器结构和说明图..8
4.5 实验操作流程 9
4.5.1 实验前准备工作： 9
4.5.2 金刚石薄膜的制备： 9
4.5.4匹配调节和C-H比例调节...10
4.6 通过XRD来测量实验成品 11
4.7 实践小结...13
结束语 14
参考文献 15
致谢 16
第一章 绪论
金刚石是碳的单一元素的结晶体，其晶体结构属于原子密度最高的等轴面心立方系。金刚石晶体中碳原子间以sp3杂化共价键连接，分子间的结合力，稳定性和方向性都极强。金刚石独特的晶体结构使其具有自然界最高的硬度，高折射率和高导热系数，以及极高的抗磨损性，抗腐蚀性及化学稳定性。但由于天然金刚石资源数量的非常稀少,人工通过高温高压制得的金刚石成本特别的昂贵，工艺极其繁杂且制得的金刚石尺寸又十分的有限等限制因素，使得金刚石的多种应用受到极大的限制,人们难以利用金刚石的上述优异的性能。化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,简称CVD）法制备金刚石膜后，才使金刚石得以以工业化的规模在多个领域受到广泛应用。微波等离子体化学气相沉积法金刚石薄膜的成功发展不单单可以带来巨大的经济效益,而且更为重要的是其方法制备的金刚石与天然金刚石无异，可以把金刚石材料的全部特性及其应用发挥到极致,因此CVD制备金刚石法必将成为世界生产生活，工业经济的重要支撑产业。现在金刚石的消耗量是继钢铁消耗量之后的衡量一个国家工业化发展程度的另一个重要的标准。到目前为止金刚石在以下几个方面用途广泛。
1)单晶金刚石的高硬度和抗磨损性可以满足超精密切削对刀具材料要求，是理想的的超精密切削刀具材料。
2）金刚石的高硬度和极优异的光学性质组合使得金刚石在开发永不磨损的摄像机，照相机，液晶电视等各种红外光学镜头及液晶屏幕领域具有令人期待的发展前景。如iPhone6手机据传已经使用了金刚石材质的屏幕。
3）单晶金刚石薄膜若成功开发将使现有应用的电子元器件更新50%以上，而且由于金刚石的高导热性，抗酸碱性，抗辐射，抗高温等优良特性使得制得的电子元器件在极其恶劣的环境下也能很稳定的工作。
4）金刚石在军事领域也有很广泛的应用。金刚石制得的新型抗磨损高稳定性的发动机有助于战机的高性能作战；金刚石制得的高硬度头盔将很好的保护士兵们的生命安全；以及各作战装备的抗导弹保护罩，降低破损作战装备的几率。
到目前为止，经过多年的潜心研究和制备工艺的快速发展，人们已经成功的设计和开发出不同结构和满足不同应用领域的金刚石材料，这些金刚石材料无论是在日常生活中还是在某些前沿领域都发挥着极其重要的作用，金刚石薄膜的研究被认为是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一，我国也投入大量资金和众多前沿科学家进一步发展和研究金刚石薄膜，以谋求金刚石薄膜的深度前沿应用。
第二章 等离子体(Plasma)概述
2.1 等离子体的定义
通过一定的物理和化学手段，（例如通过高温加热、直流放电、射频、激光、高能微波等形式激发），气体分子离解出的电子、离子、原子、分子等粒子所组成的集合体就叫做等离子体。无论气体是部分电离还是完全电离，等离子体中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，因此总电荷数为0所以称所组成的集合体为等离子体[ 1 ]。等离子体是一种良好的的导电体，利用经过人为精心设计的磁场能够移动加速和捕捉等离子体。等离子体物理的发展为信息、材料、电子领域、工业工具领域、能源、空间物理、环境空间、地球物理等前沿科学的突破性发展提供了一种全新的工艺和技术。
2.2等离子体产生的原理
在等离子的气体中，我们可以用XY结构的类型分子来形容双原子分子。实验中如果用电子碰撞此类的分子，如果电子所拥有的能量比较小的话那么电子会和双原子分子发生大家所熟悉的弹性碰撞，而发生弹性碰撞的时候电子的动能是不会发生改变的。但是如果当电子碰撞的时候拥有很高的能量的话那么电子和核碰撞的时候会获得很大的能量。这些电子会被激发到离核比较远的地方，这些分子可以叫做激发状态的分子。双原子分子可以用XY来形容的，如果激发态的分子从比较高的能级跃迁到比较低的能级时候会发出些多余的能量，这个过程就可以叫做“退激。我们都知道分子可以发生电离，那么什么情况下分子会发生电离呢，经过科学研究如果碰撞的电子拥有很高的能量的话那么它就可以脱离核的束缚。电子对分子XY碰撞也可以使此分子分解成为X原子和Y原子。可以用“：”来表示分子中成键的电子对，分解之后可以表示为X：Y—>X+Y。这样的电子会使分子容易发生化学反应，所以可以称为化学活性或者基团。
2.3 等离子体特性
a)电中性：等离子体宏观上呈现中性，即对外变现是中性；
b)德拜屏蔽长度：描述了等离子体的电荷分离的最大线性尺寸，它是指以维持等离子区电中性的范围
c）等离子体（振荡）频率：相当数量的正电荷产生电子集体振荡的平衡位置，在静电等离子体振荡成为振荡频率被称为其的等离子体频率
d)导电性和介电性：等离子体能同时表现出导电性和介电性两种特性
e)等离子体的磁约束：在一个恒定磁场的带电粒子通过洛伦兹力的作用，通过总应力分析的运动可以根据带电颗粒的螺旋轴的磁力线轨迹
等离子体分类：
按产生方式分类可分为:天然等离子体和人工等离子体（包括气体放电法，射线辐射法，光电离法，热电离法，冲击波法等）
按电离度分类可分为：完全电离等离子体;部分电离等离子体;弱电离等离子体
按热力学平衡分类分为：
按系统温度分类可以分为：高温等离子体和低温等离子体
按等离子体粒子的密度分类可分为:
和稀薄等离子体（也可称为低压等离子体）
2.4 等离子体技术介绍及应用
在等离子体技术的应用中，微波等离子体的消耗成本低，运行效率高，没有电极，并且具有低功耗和大面积等特点，特别适用于在超大规模集成电路的制备，金属制品和高聚物制品及薄膜的的表面改性，新材料（包括薄膜和体材料）和大功率电子器件的制造，新型照明光源和紫外光源的深度开发、纳米结构的材料及机械产品的开发等高技术领域，这些领域是当前等离子体应用技术发展的最前沿科技领域。
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