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郑州华晶金刚石股份有限公司

等离子体工艺可以精确的地控制金刚石性能

关键词 金刚石 , 等离子|2018-01-08 14:48:04|来源 材料科技在线
摘要 伯明翰阿拉巴马大学(UAB)的物理学家们已经完成了五年努力的第一步——创造出新型化合物,这种化合物在耐热性方面可以超越金刚石,在硬度上几乎可以与钻石匹敌。他们得到了美国国家科学基金...

       伯明翰阿拉巴马大学(UAB)的物理学家们已经完成了五年努力的第一步——创造出新型化合物,这种化合物在耐热性方面可以超越金刚石,在硬度上几乎可以与钻石匹敌。他们得到了美国国家科学基金会(US National Science Foundation)2000万美元的奖励资助,用于创造新型材料和利用第四种物质状态等离子体来改进技术。

       与其他三种物质状态(固体液体和气体)不同,等离子体在地球上并不存在,但是可以通过加热并电离中性气体来得到这种新型物质。在实验室里,伯明翰阿拉巴马大学(UAB)物理系教授兼大学学者Yogesh Vohra利用等离子体来制造金刚石薄膜。这种薄膜具有许多潜在的用途,例如,可以用于制造时效期很长的人造关节涂层或维持刀具锋利度的涂层,还可以制造用于环境的传感器和合成新型超硬度材料。

       沃拉和他的同事们制作了一种金刚石薄膜,将包括甲烷等含碳气体在内的各种气体排放到真空室中,用微波加热使其产生等离子体。真空室内的低压相当于地球表面上方14英里的大气。四小时后,等离子已经将碳沉积为金刚石薄膜。  

       伯明翰阿拉巴马大学(UAB)艺术与科学学院的Vohra及其同事通过在制作金刚石薄膜的同时添加硼,探索如何改变金刚石材料的性质。他们在“材料”网站的论文中报告了他们的研究发现。

       他们已经知道了甲烷和氢气的混合物气体可以产生由平均直径大小约为800nm的许多微型金刚石晶体组成的金刚石薄膜。在混合气体中加入氮气产生纳米结构的金刚石(由极小的金刚石晶体构成,平均直径尺寸仅60nm)。

       在该项研究中,Vohra研究团队将乙硼烷(B 2 H 6)加入到氢气/甲烷/氮气进料气体中,这样做产生了惊人的效果。金刚石薄膜中的晶粒尺寸从氢/甲烷/氮气进料气体所见的60纳米直径尺寸晶粒突然增加到800纳米的微晶直径尺寸。此外,这种变化仅在加入乙硼烷量很小的情况下发生,等离子体中只有百万分之一百七十。

       通过改变原料气中乙硼烷的量以及使用光学衍射光谱法,Vohra研究小组发现乙硼烷减少了等离子体中碳氮自由基的数量。因此,Vohra说:“我们的研究清楚地确定了碳氮物物质在金刚石纳米结构合成中的作用,向等离子体中加入硼可以抑制碳氮元素。”

       由于添加硼也可以将金刚石薄膜从非导体改变为半导体,所以阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)研究结果为控制薄膜的晶粒尺寸和电学性质提供了新的方法,这对于各种实际应用是很有用处的。

       在接下来的几年里,Vohra和他的同事计划探索使用这种等离子体化学气相微波沉积工艺来制造碳化硼、氮化硼及碳硼氮化合物的薄膜。他们的目标是生产比金刚石更耐热的化合物,但仍有类似于钻石的硬度。

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