(6) 金刚石的声学性质
金刚石的声传播速度高达18000m/s,是所有介质中最快的,并且具有高的杨氏模量和弹性模量,是制作高灵敏的表面声学波滤波器、高保真扬声器的振动膜涂层、超声传感器、高效的声能转换器的新型材料[8]。
1.3 金刚石薄膜的常见制备方法
(1)热丝CVD法(HFCVD)[2] 。此方法是热分解法合成金刚石薄膜的发展,该方法虽提出较早,但目前使用仍非常普遍,并且已经发展成沉积金刚石薄膜较为成熟的方法之一。这种方法的基本原理是靠在衬底上方设置金属热丝(如钨、钽丝等)高温(2000-2200℃)加热分解含碳的气体,形成活性粒子在原子氢的作用下在衬底(保持在700-1000℃)上沉积而形成金刚石。此方法简单易行,缺点就是沉积速率较慢(V<10μm/h),不均匀,工艺稳定性差,易污染。最近还提出两种改良的HFCVD模型:反应气体分送的HFCVD 法[9] (碳源气体和氢气由热丝的下方和上方分别送入)和电子助进的HFCVD法 (给衬底加一大约150V的偏压)。改良后的HFCVD法获得了比一股HFCVD法具有更高的沉积速率,而且金刚石薄膜的质量也得到了显著的提高。
(2)燃烧火焰沉积法(Flame Deposition)[10]。该方法所使用的碳源气体为乙炔,助燃气体为氧气。将两种气体在乙炔枪中混合,在大气中燃烧,燃烧火焰分为三个区:内焰、外焰和还原焰,将衬底放置在火焰的还原焰区域生成金刚石。该方法中氧气和乙炔的比例R是影响金刚石薄膜质量的关键因素,只有在R=0.7-1.0区域才能生长成金刚石,其他区域都不利于金刚石的生长, 而且研究表明当R=0.97-1.0时,可生长出透明的光学级金刚石薄膜。这种方法的优点是设备简单、成本低,能在大气中合成金刚石,生长速度快(60-150bμm/h),有利于大面积和复杂形状样品表面上金刚石的沉积。其缺点是:沉积的金刚石薄膜具有不均匀的微观结构,薄膜常含非金刚石碳等不纯物,由于火焰的热梯度,易使衬底发生弯曲变形,并在薄膜中产生较大的热应力。
(3)直流电弧等离子喷射CVD法(DAPCVD)[11]。该方法是一种放电区内隐的直流电弧等离子体CVD法,该方法的制备工艺如下:在杆状阴极和环形阳极之间施加直流电压,当气体通过时引发电弧,加热气体,高温膨胀的气体从阳极嘴高速喷出,形成等离子体射流,引弧的气体通常是氩气,等形成等离子体射流后,通入反应气体甲烷和氢气,甲烷和氢气被离化,并达到水冷沉积台的衬底,在衬底上成核、生长金刚石。这种技术具有生长速度快,沉积的金刚石薄膜质量好,适用于复杂表面,气体利用率高,无电磁污染等优点。但是由于喷射等离子体的速度场和温度场不均匀,使其沉积范围内膜厚不均,呈梯形分布;沉积面积不大;反应时衬底温度高;沉积速度过快时膜的表面不平整,降低了膜的致密度。
(4)微波等离子体CVD法(MWPCVD)[12]。1989年,Mitsuda等首先报道了用MWPCVD法沉积金刚石薄膜。他们所使用的设备是:微波功率2-5kW,微波由矩形波导转换到一种轴向天线耦合器,在大气压下形成等离子体;高压等离子体由耦合器的“针孔”处喷射到水冷的样品台上继而形成金刚石薄膜,主要气源是氩气,反应气体为甲烷和氢气。在1994年,美国Argonne国家实验室,Gmen[13]博士通过这种方法采用C60也合成了这类薄膜材料。现如今,MWPCVD 经过改进己形成了多种形式:按真空室的形式来分,有石英管式、石英钟罩式和带有微波窗的金属腔体式等;按微波与等离子体的耦合方式来分,有表面波耦合式、直接耦合式和天线耦合式等。目前最常使用、最简单也是最早出现的装置是表面波耦合式石英管式装置。
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