金刚石膜(CVD)的生产和应用成效显著 -- “十一五”我国超硬材料产业创新与发展盘点 -- 中国超硬材料网

金刚石膜(CVD)的生产和应用成效显著

        目前世界发达国家CVD金刚石薄膜的生产方法很多,主要有:热丝CVD法(HFCVD)、燃烧火焰沉积法(Flame deposition)、直流电弧等离子喷射CVD法(DAPCVD)、微波等离子体CVD法(WMPCVD)、激光辅助CVD 法(LACVD)等。
        因CVD金刚石薄膜具有高纯度、高硬度、高耐磨性、高热导率、高光透过波段宽度、高化学稳定性、耐酸碱腐蚀等特性,利用其高硬度开发制造砂轮的修整工具、刀具等刃具,以及发动机缸套、喷砂嘴、喷水嘴、精密轴承支撑器、人造骨关节、录音磁头、磁盘保护层等耐磨器件,其在光、热、电、声等高新技术领域中功能性应用的前景将更加广阔。
        CVD的光学应用:金刚石具有从紫外到红外的透光性和良好的透过率、高硬度和高导热率、较强的抗辐射损伤和极好的耐热冲击性能,因此,CVD金刚石是最好的红外保护材料。可用于超音速新型拦截导弹的头罩;飞机(车、船)载红外热成像装置或其他光学装置的窗口或窗口保护层,大功率激光窗口的热透镜;用于照相机镜头既能起到增透作用,又提高镜头的耐磨性;用作太阳能电池增透膜,可提高太阳能电池效率60%以及红外线夜视镜等。
        CVD用作热沉元器件:金刚石的热传导率在室温下为铜的5倍,是目前已知材料中最高的、高绝缘电阻和极低热膨胀系数等特性,是大功率激光器件、微波器件、大功率集成电路、发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED)等高功率密度电路元件的散热材料,可以提高这些器件的功率寿命。目前我国已有能力制备各种金刚石热沉片。
        CVD用作电子器件:金刚石半导体材料具有宽禁带、高热导率、抗辐射性强、高临界击穿电场、低的介电常数以及很高的载流子迁移率;由于金刚石具有负电子亲和势,在低电场下具有比其他场发射材料更低的功函数与阈值电场,是一种非常理想的电子场发射材料,特别适合在平板显示器、紫外光、X-射线、α粒子等辐射探测器等真空微电子器件中应用。
        CVD用作传感器:掺硼的金刚石薄膜具有显著的纵向压敏电阻效应,并具有高的弹性模量,是制造高温、恶劣条件工作的压力传感器的最佳材料。随后许多国家对此作了大量的研究,并且美、德、日等国的金刚石薄膜压力传感器已经试验成功。金刚石薄膜除了具有压阻效应外,还具有热敏电阻效应,适应温度范围广,响应时间短等特点,因此金刚石薄膜可制成温度传感器。目前已试验成功的金刚石传感器件有压力传感器、温度传感器,还有微加速度传感器等。
        CVD在声学方面的应用:CVD金刚石薄膜的纵波声速是自然界所有材料中最大的(20000m/s),并具有高的弹性模量,有利于声学波的高保真传输,是极佳的高频声表面波(SAW)材料,是制作扬声器高频振膜最理想的材料。在镀有金刚石薄膜的钛复合振膜的频响上限从纯钛振膜的20kHz 提高到30kHz,最高可达33kHz,使高音扬声器电声性能有显著的提高,使高音更加清脆亮丽。
        CVD所具有的优越性能和广阔的应用前景,得到了我国的高度重视,被列入我国高技术研究发展的“863”计划,众多大学、研究单位从事CVD的研究工作,研发队伍迅速扩大,专业研发和生产的企业越来越多。
        “十一五”期间,我国低压高温化学气相沉积法合成金刚石膜(CVD)的专业研发和生产企业迅速增加,创新能力迅速提高,生产规模迅速扩大,产品质量有了质的提升,应用研究快速跟进,发展迅速。目前我国金刚石膜(CVD)制备采用最多的是热丝法(HFCVD)。该技术的特点是设备相对简单,操作方便,成本低,是工具应用金刚石膜制备的主要方法,可以生长大面积CVD膜(300×300mm2),用于工具的金刚石厚膜可以达到150毫米直径、2毫米以上;另一种是直流等离子体喷射化学气相沉积法(DAPCVD),该方法不但可以制备用于砂轮修整工具坯料、刀具坯料、拉丝模芯坯料和耐磨器件,而且可制备用于光学窗口、散热元件等的功能材料,还可以用来制作高纯度金刚石大单晶,达到世界先进。同时我国在热丝法、直流等离子法CVD制备设备的制造技术同步提高,我国研制成功了“高功率直流等离子体喷射CVD设备”,使我国成为继美国之后,能独立设计、制造同类设备的国家,达到世界先进水平。目前我国采用直流等离子化学气相沉积的金刚石薄膜(CVD),直径可达200毫米,厚度达3毫米,不但为我国金刚石膜工具及耐磨器件的制造应用给力,同时也为金刚石在热、光、电、声等高新技术领域的应用奠定了基础,开辟了广阔前景。