CN210736872U - 一种超纳米金刚石薄膜的制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种超纳米金刚石薄膜的制备装置，包括：由下而上的底座、衬底及加热层，加热层用于加热使衬底的温度维持在预设温度；石英钟罩，用于与底座形成密封体；蓄能器件，设置在石英钟罩与底座构成的密封体内，用于储存电能，包括阴极和阳极；中心电极，连接蓄能器件的阳极；外部电极，连接蓄能器件的阴极；螺旋丝杆，连接中心电极，使中心电极可朝向外部电极移动，当二者之间的距离达到第一预设距离，使外部电极发射出预设能量的碳等离子体，在预设温度的衬底上形成超纳米金刚石薄膜。本方案提供的装置，可提供不引入外界杂质的预设压强的环境以沉积出超纳米金刚石薄膜，具有较高的沉积效率，且沉积出的超纳米金刚石薄膜的纯净度较高。

Description

一种超纳米金刚石薄膜的制备装置

技术领域

本实用新型涉及超纳米金刚石薄膜制备设备领域，尤其涉及一种超纳米金刚石薄膜的制备装置。

背景技术

金金刚石薄膜根据晶粒尺寸大小可分为微米级、纳米级和超纳米级薄膜。纳米金刚石膜是指晶粒度小于200nm的金刚石膜，而超纳米金刚石膜则指晶粒度一般小于10nm的超细晶粒。

由于超纳米金刚石晶粒小(最低可至2nm)、晶界比例高，及拥有显著的量子尺寸效应、表面效应和界面效应，且超纳米金刚石还具有沉积温度相对较低、内应力小，附着力好以及掺杂特性好的优点，因此受到了行业的广泛关注。

在机械性能方面，超纳米金刚石具有表面光滑性好和摩擦系数小的特点，适合用作旋转机械设备的耐磨层和密封涂层；在电学性能方面，超纳米金刚石薄膜表面悬挂键密度高，拥有大量的sp2键碳原子形成电子发射的导电通道，有利于价带电子从禁带中的局域态跃迁到导带，利用隧道效应从表面发射出来；在生物医学领域，超纳米金刚石薄膜润湿性好、化学惰性强以及生物兼容性好，可用作人工心脏瓣膜、人工关节和假牙等人工医疗植入器材的密封涂层，以阻隔生物有机层和无机物，从而减少外界植入物对人体机能的负面作用。此外，超纳米金刚石还具有从深紫外到远红外的全透性，可用于制备高功率激光镜片和光学窗口；拥有高达16.76 km/s的纵声波速率，可提高滤波器的频率和功率承受能力，满足飞速发展的通讯行业对信号处理量的要求。

上世纪90年代，美国阿贡国家实验室采用微波等离子体化学气相沉积装置(MPCVD)，在800℃条件下首次制备出超纳米金刚石膜。

金刚石的生长机理非常复杂，至少存在20种以上由游离的碳原子和氢原子构成的多种不同成键形式的物质，且反应过程和元素种类是持续变化。其中一种制备方法为：在含有CH₄和Ar的气氛中，Ar和CH₄吸收微波能量后碰撞电离生成Ar⁺和C₂H₂，最终生成C₂基团，具体反应过程如下：

Ar+e→Ar^*+e

Ar+e→Ar⁺+2e

CH₄+Ar^*→CH_X+H

CH+CH→C₂H₂

Ar⁺+C₂H₂→C₂H⁺+H+Ar

C₂H+Ar⁺→C₂H⁺+Ar

C₂H⁺+e→C₂+H

CH+C→C₂+H

可见，该制备过程反应过程复杂且繁琐。

综上所述，现有技术方案中缺少一种过程简单的制备超纳米金刚石薄膜的制备方案。

实用新型内容

本实用新型提供一种超纳米金刚石薄膜的制备装置，以解决现有技术方案中缺少一种过程简单的制备超纳米金刚石薄膜的制备方案的技术问题。

根据本实用新型实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备装置，包括：

底座；

衬底，设置所述底座之上；

加热层，内部均匀排布有加热器，设置于所述底座与所述衬底之间，用于加热使所述衬底的温度维持在预设温度；

石英钟罩，用于与所述底座形成密封体；

蓄能器件，设置在所述石英钟罩与所述底座构成的密封体内，用于储存电能，包括阴极和阳极；

中心电极，与所述蓄能器件的阳极连接；

外部电极，与所述蓄能器件的阴极连接；

螺旋丝杆，连接所述中心电极，使所述中心电极可朝向外部电极移动，从而使得所述外部电极与中心电极之间的距离达到第一预设距离，使外部电极发射出预设能量的碳等离子体，在预设温度的衬底上形成超纳米金刚石薄膜。

在一个实施例中，所述中心电极与所述外部电极的材质均为石墨，所述石墨的纯净度不低于99.99％。

在一个实施例中，所述中心电极的形状为一字型，所述外部电极的形状为U字型空心圆筒结构。

在一个实施例中，还包括：

支架，用于固定所述外部电极。

在一个实施例中，还包括：

圆形衬套，位于所述中心电极与外部电极之间，与所述外部电极固定连接。

在一个实施例中，所述衬底的材质为如下中的一种：石英、铜、铂或硅。

在一个实施例中，所述加热器的形状为圆柱状。

本实用新型实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备装置，由中心电极与外部电极构成的电弧枪每次发射电弧导致外部电极产生的高纯度碳等离子体在石英钟罩内持续存在的时间达80～120μs，每次可沉积1～ 1.5nm厚的超纳米金刚石薄膜。可以得出，本技术方案每次激励出的碳等离子体的数量较多、强度大，具有较高的超纳米金刚石薄膜沉积速率。除此之外，本实用新型实施例提供的装置中的衬底不需要采用金刚石粉末研磨预处理，便能够在石英钟罩与衬底构成的预设压强的密封体内生长出高纯度超纳米金刚石薄膜。

附图说明

本实用新型所提供的说明附图用于解释本实用新型，应该理解的是，如下所描述的具体实施例为构成本实用新型的一部分实施例，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的一种超纳米金刚石薄膜的制备装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。

本实用新型实施例提供一种制备超纳米金刚石薄膜的装置，参见图1所示，所述装置包括：底座11、衬底12、加热层13、石英钟罩22、蓄能器件 29、中心电极23、外部电极24及螺旋丝杆28；其中，衬底12位于底座11 之上；加热层13，内部均匀排布有加热器213，设置于所述底座11与所述衬底12之间，用于加热使所述衬底12的温度维持在预设温度；石英钟罩22，用于与所述底座11形成密封体；蓄能器件29，设置在所述石英钟罩22 与所述底座11构成的密封体内，用于储能电能，包括阴极和阳极；中心电极23，与所述蓄能器件29的阳极连接；外部电极24，与所述蓄能器件29 的阴极连接；螺旋丝杆28，连接所述中心电极23，使中心电极23可朝向外部电极24移动，从而使得所述外部电极24与中心电极23之间的距离达到第一预设距离，使外部电极24发射出预设能量的碳等离子体，在预设温度的衬底12上形成超纳米金刚石薄膜。

在本实用新型实施例中，在底座11上设置有独立于所述底座11的加热层13，可以使衬底12被加热至所述预设温度，并使衬底12的温度维持在预设温度，而所述预设温度为衬底12的状态为熔融状态所对应的温度，因而在制备超纳米金刚石薄膜的过程中可以使衬底12的状态一直处于接近熔融状态，从而为预设能量的碳离子在衬底12上形成超纳米金刚石薄膜提供温度及状态条件；除此之外，加热层13独立设置，便于控制及维修，即当加热层内的加热器出现故障时便于维修，或者是直接更换加热层，而无需更换底座11，因此，本方案在很大程度上节约了资源的浪费。

在本实用新型一个实施例中，所述中心电极23与所述外部电极24 的材质均为石墨电极，纯净度不低于99.99％。

在本实用新型实施例中，中心电极23与外部电极24的材质均为纯度不低于99.99％的石墨电极；外部电极24连接蓄能器件29的阴极，因此，外部电极的电性、电压与蓄能器件29的阴极24的电性、电压及电势均相同；同理，由于中心电极23连接蓄能器件29的阳极，因此，中心电极23的电性、电压同蓄能器件29的阳极的电性、电压及电势均相同。

在本实用新型一个实施例中，所述中心电极23的形状为一字型，所述外部电极的形状为U字型空心圆筒结构，而所述中心电极23有一部分位于所述外部电极的空心内，并距离外部电极24有预设距离，从而使中心电极23可以相对外部电极24移动，进而改变外部电极24与中心电极23 之间的距离。作为一种可选的实施方式，外部电极24的长度为45～50cm，如可为45cm、48cm或50cm。

在本实用新型一个实施例中，所述装置还包括：

支架25，用于固定所述外部电极。

在本实用新型实施例中，在中心电极的内部镶嵌有一字型的不锈钢棒 26，用于增加中心电极的强度，防止中心电极受放电冲击而裂开。

在本实用新型实施例中，中心电极23与外部电极24之间设置有一个聚四氟乙烯制作的圆形衬套27，外部电极24与所述圆形衬套固定连接，中心电极可在衬套内部滑动，从而使中心电极与外部电极之间的距离可变。

在本实用新型实施例中，所述衬底12的材质为如下中的一种：石英、铜、铂或硅。上述材质均可达到熔融状态，为形成超纳米金刚石薄膜提供物质条件。

在本实用新型实施例中，衬底12距离外部电极24的距离为10～20mm，如可为10mm，15mm或20mm，优选15mm。

在本实用新型实施例中，所述加热器的形状为圆柱状，均匀分布在所述加热层中，有效保障了衬底12能够均匀地受热。

在本实用新型实施例中，由中心电极与外部电极构成的电弧枪每次发射电弧导致外部电极产生的高纯度碳等离子体在石英钟罩内持续存在的时间达80～120μs，每次可沉积1～1.5nm厚的超纳米金刚石薄膜。可以得出，本技术方案每次激励出的碳等离子体的数量较多、强度大，具有较高的超纳米金刚石薄膜沉积速率。除此之外，本实用新型实施例提供的装置中的衬底不需要采用金刚石粉末研磨预处理，便能够在石英钟罩与衬底构成的预设压强的密封体内生长出高纯度超纳米金刚石薄膜。

本实用新型实施例提供的制备超纳米金刚石薄膜的装置，装置结构简单，沉积超纳米金刚石薄膜的效率高，可以在短时间内沉积出满足需求的厚度的超纳米金刚石薄膜。

采用本实用新型实施例提供的装置制备超纳米金刚石薄膜的制备方法，可包括：当石英钟罩内的压强达到预设压强时，对蓄能器件29进行充电蓄能，使所述蓄能器件29的电压达到预设电压；在达到预设电压时，接通石英钟罩内的丝杆螺母传动机构，所述丝杆螺母机构使中心电极与外部电极之间的距离缩小，当所述距离达到第一预设距离时产生电弧放电，使外部电极发射出预设能力的碳等离子体，在预设温度的衬底上形成超纳米金刚石薄膜。

作为本实用新型一个具体实施例，所述预设压强为0.5×10^-6torr～3× 10^{- 6}torr，如可为0.5×10^-6torr、1.75×10^-6torr、3×10^-6torr。

在本实用新型实施例中，所述预设电压为150V～200V，如可为 150V、175V或200V。

在本实用新型实施例中，由中心电极与外部电极构成的电弧枪每次发射电弧导致外部电极产生的高纯度碳等离子体在石英钟罩内持续存在的时间达80～120μs，每次可沉积1～1.5nm厚的超纳米金刚石薄膜。可以得出，本技术方案每次激励出的碳等离子体的数量较多、强度大，具有较高的超纳米金刚石薄膜沉积速率。除此之外，本实用新型实施例中的衬底不需要采用金刚石粉末研磨预处理，便能够在石英钟罩与衬底构成的预设压强的密封体内生长出高纯度超纳米金刚石薄膜。

采用本实用新型实施例提供的装置，结构简单，可提供可相对移动的中心电极与外部电极，通过中心电极与外部电极之间的相对移动使中心电极与外部电极之间的距离达到第一预设距离，从而使中心电极与外部电极形成的电弧枪使外部电极发射出高能量高纯度的碳等离子，沉积在衬底上，便形成超纳米金刚石薄膜。本装置，可在不引入外界杂质的预设压强的环境中沉积出超纳米金刚石薄膜，沉积出的超纳米金刚石薄膜的纯净度较高，弥补了现有技术方案中缺少一种过程简单的制备超纳米金刚石薄膜的制备方案的技术空白。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，术语“连接”，可以是直接连接，也可以指间接连接。可以是通过导线连接，也可以是通过其他连接结构，如软管连接。本方案并不对其做具体限定。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅以一较佳实施例对本实用新型的技术方案进行介绍，但是对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，应能在具体实施方式上及应用范围上进行改变，故而，综上所述，本说明书内容部不应该理解为本实用新型的限制，凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种超纳米金刚石薄膜的制备装置，其特征在于，包括：

底座；

衬底，设置所述底座之上；

加热层，内部均匀排布有加热器，设置于所述底座与所述衬底之间，用于加热使所述衬底的温度维持在预设温度；

石英钟罩，用于与所述底座形成密封体；

蓄能器件，设置在所述石英钟罩与所述底座构成的密封体内，用于储存电能，包括阴极和阳极；

中心电极，与所述蓄能器件的阳极连接；

外部电极，与所述蓄能器件的阴极连接；

螺旋丝杆，连接所述中心电极，使所述中心电极可朝向外部电极移动，从而使得所述外部电极与中心电极之间的距离达到第一预设距离，使外部电极发射出预设能量的碳等离子体，在预设温度的衬底上形成超纳米金刚石薄膜。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心电极与所述外部电极的材质均为石墨，所述石墨的纯净度不低于99.99％。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心电极的形状为一字型，所述外部电极的形状为U字型空心圆筒结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

支架，用于固定所述外部电极。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

圆形衬套，位于所述中心电极与外部电极之间，与所述外部电极固定连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衬底的材质为如下中的一种：石英、铜、铂或硅。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热器的形状为圆柱状。

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