Алмазными пленками научились покрывать любые поверхности. Алмазные пленки

Алмазные пленки | Технологии и инновации

Алмазные пленки

06.05.2011 в Технологии и инновации

Ввиду большого интереса к новым газофазным методам выращивания алмаза (и шире – алмазных материалов) поток публикаций на эту тему в мире постоянно возрастает. Издается специализированный международный журнал Diamond and Related Materials (США), регулярно проводятся международные конференции по науке и технологии CVD-алмаза, наиболее крупными из которых являются European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, and Nitrides, и New Diamond and Nano Carbons.

Выбор и обоснование технологической операции осаждения поликристаллических алмазных, наноалмазных и алмазоподобных пленок.

CVD метод позволяет получать поликристаллические плёнки алмаза диаметром от 1 мм до 50 см, и толщиной от долей мкм до 3 мм и более. В отличие от роста при высоких давлениях и температурах, химическое осаждение из газовой фазы происходит в метастабильных условиях: при пониженных давлениях до 30÷400 мм рт ст (4÷54 кПа) и температурах подложки 870÷1370 К. При этом типичные линейные скорости роста лежат в диапазоне 1÷10 мкм/ч и лишь для одного, мало распространённого метода (осаждение из пламени), достигают 100 мкм/ч.

Ниже дан краткий обзор современных методов синтеза алмаза из газовой фазы с указанием особенности технологий, их преимуществ и недостатков.

Метод горячей нити

Простейшим способом активации газовой фазы, состоящей из смеси водорода  с углеродсодержащим газом (для  СН4 – 0,5 ÷ 2 об. %), является использование нагретой до температуры ~ 20000C проволоки из тугоплавкого материала, размещаемой  около подложки, на которую наращивается алмазная плёнка и которая поддерживается при температуре  700-1000оC. Давление газовой фазы обычно составляет 20-60 Торр, а расстояние между проволокой-активатором и подложкой 4-10 мм. В качестве тугоплавких материалов обычно применяют W, Ta, Re. Следует иметь в виду, что при нагревании в углеводородной среде металл карбидируется (кроме Re) и охрупчивается. При карбидировании W температура плавления активатора существенно снижается, а у Ta – повышается. В ИФХ АН СССР метод был впервые использован в 1972 году, но получил широкую известность после публикации работы Мацумото [16].Большим достоинством является простота и возможность масштабирования. В настоящее время методом горячей нити получают покрытия на подложках площадью до 0,3 м2[17]. Скорость плёнок обычно составляет около 1 мкм/час и может быть увеличена за счёт уменьшения расстояния между активатором и подложкой, повышением температуры активатора, а также при подаче на подложку электрического смещения или дополнительной активацией газовой фазы электрическим разрядом (постоянного тока или радиочастоты), УФ облучением.

Недостатком метода является принципиальная невозможность предотвратить вхождение примеси металла-активатора в плёнку, что важно при получении очень чистого алмаза, а также невозможность введения  в газовую смесь добавок, активно взаимодействующих с материалом активатора.

Активация газа в пламени горелки

Химический способ активации реализуется также в методе выращивания в пламени горелки. Этот метод, впервые описанный в 1990 году [18], может быть реализован в разнообразных вариантах [19]. В простейшем случае процесс ведется на атмосфере, и нет необходимости в реакторе. Использование кислородно-ацетиленовой горелки позволяет получать высокие концентрации радикалов и скорость осаждения алмаза может достигать 100 мкм/час. Очевидный недостаток простейшей схемы – неоднородность условий в зоне осаждения и малая её площадь. Она может быть увеличена за счёт изменения конфигурации пламени, например, создания плоского пламени (при пониженных давлениях) [20] и использования системы горелок. При наличии защитной атмосферы можно использовать сканирование и получать покрытия на большой площади. Так, группа японских учёных из научно-исследовательской лаборатории корпорации «Ниппон» в г. Чиба во главе с Окадой [21] получила алмазные кристаллы размером до 20-30 мкм на подложках из твёрдого сплава на площади 35´29,5 см2 при температуре 950 –1100оС за 1 час наращивания. Использование горелок в реакторах при пониженном давлении позволяет увеличить площадь осаждения и улучшить контроль над ходом процесса. Однако за счёт увеличения площади покрытия снижается скорость осаждения без заметного выигрыша в качестве, поэтому с 2002 года публикации об осаждении алмазных плёнок из пламени горелки на больших площадях практически исчезают со страниц научных журналов.

Разряд постоянного тока

Осаждение в плазме разряда постоянного тока [22, 23] позволяет получать алмазные плёнки со скоростями в десятки микрометров в час. Помимо высоких скоростей роста достоинствами метода являются простота процесса, низкое потребление газа, однако методу присуще загрязнение плёнки продуктами распыления электродов.

В варианте установки для роста алмазных плёнок с использованием дугового разряда, созданном в ИОФРАН, [24], разряд в смеси Ch5/h3 зажигается между катодом (стержень из стеклоуглерода или TaC) и самой подложкой, являющейся анодом. Вследствие этого, осаждение возможно на металлические или полупроводниковые (в основном, кремниевые) подложки.. В типичных условиях (давление 100 Торр, температура 800оС, расход газа 5-6 л/час, величина тока 1,5-2,5 А) достигаются скорости 10 мкм/час на подложках площадью 1 см2. Даже при высоких концентрациях метана в смеси получаемые плёнки остаются поликристаллическими.

Добавки благородных газов способствуют более высокой активации реагентов. В тройных реакционных смесях Ch5-h3-Ar удается синтезировать нанокристаллические пленки в широком диапазоне концентраций метана, сохраняя алмазную структуру даже в «безводородных» смесях Ch5—Ar. Такие пленки характеризуются низкой шероховатостью (Ra=7-15 нм при толщине до 2 мкм) и высокой твердостью (85 ГПа).

Применение многокатодной системы позволило увеличить диаметр подложки до 100 мм, избегая при этом шнурования разряда [25]. При мощности на каждом из семи катодов 2,4 кВт и скорости осаждения 10 мкм/час получены алмазные пластины с хорошей однородностью по толщине (800-900 мкм). Дальнейшее масштабирование размеров плазмы и пластин может быть достигнуто увеличением числа катодов.

Электродуговой плазмотрон

В электродуговом плазмотроне газ, нагреваемый в разряде постоянного тока в цилиндрическом канале, истекает через сопло, образуя высокоскоростную струю с температурой в ядре потока до 40000ºС, что намного выше, чем в методах активации газа с помощью СВЧ плазмы или горячей нити. Вследствие высокой степени разложения газа-реагента, высокой концентрации атомарного водорода скорости осаждения алмаза достигают больших величин. Впервые дуговой плазмотрон был использован для синтеза алмаза Курихарой в 1988 г. [26]. Были достигнуты скорость роста более 900 мкм/час и коэффициент конверсии углерода из метана в алмаз около 8%, однако, лишь на подложках небольшой площади (несколько кв. мм) [27]. Тем не менее, среди всех прочих методов синтеза именно в дуговом плазмотроне впервые были получены толстые алмазные пластины. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, к которому подмешивается метан и водород. Вместо метана можно использовать пары спирта [28]. Увеличение площади осаждения и снижение себестоимости процесса синтеза лежит на пути повышения мощности установок. В Пекинском научно-технический университете для роста алмазных пластин используется плазмотрон мощностью 100 кВт [29]. Плазмотрон мощностью 500 кВт создан в Питтсбурге специалистами научно-технологического центра корпорации «Вестингхаус электрик», США [30]. В обоих реакторах предусмотрено, что рабочий газ не выбрасывается из камеры, а направляется повторно в неё для максимально полного использования реагентов. В 90-х годах фирма «Нортон» (США) на основе дуговых плазмотронов освоила промышленное производство алмазных дисков диаметром до 175 мм [31].

В плазмогенераторе в стандартной конфигурации с межэлектродными вставками [32] при мощности, вкладываемой в разряд 3-8 кВт, давлении 50-100 Торр и расходе газа 30 л/мин получены скорости осаждения до 25 мкм/час на площади до 10 см2. Интересный метод увеличения площади осаждения при относительно небольшой мощности, основанный на идее внешнего расширения плазменной струи после выхода из сопла плазмотрона посредством организации дополнительного разряда ниже по направлению (рис. 13) применен в работе [33].

Разряд поддерживался между дополнительным кольцевым электродом (анодом), сквозь который проходила плазменная струя и собственно струёй (катодом). Ниже кольца узкий высокотемпературный плазменный керн расширялся в несколько раз. Дополнительная мощность, вложенная во вторичный разряд, составляла 2,5 кВт. При линейной скорости осаждения 40 мкм/час на площади 12 см2 удельная (на единицу мощности) осаждения достигала 16 мг/час·кВт, что сравнимо с эффективностью для 100 кВт системы.

СВЧ плазма

Одним из самых распространенных методов синтеза алмаза является осаждение в микроволновой (СВЧ) плазме или MWCVD [34,35]. Этому способствовали доступность стандартных СВЧ компонентов на частоте 2,45 ГГц для строительства такого типа реакторов, и большой опыт, накопленный по применению СВЧ плазмы для обработки поверхности. СВЧ плазма «стерильна» в том смысле, что отсутствуют какие-либо распыляемые электроды, поэтому содержание примесей от компонентов реактора в алмазе минимально. Это позволяет получать алмаз оптического и даже электронного качества [36]. Впервые алмазные плёнки из СВЧ плазмы были синтезированы в 1983 г. исследовательской группой из японского института Неорганических материалов [37]. В разработанном ими простом реакторе при мощности <1,5 кВт скорость осаждения составляла около 0.5 мкм/час.

Семейство усовершенствованных ректоров было разработано в дальнейшем фирмой «ASTeX» («Астэкс», США) [38]. Системы мощностью 5 и 8 кВт, выпускаемые серийно, позволяют проводить процесс роста непрерывно в течение сотен часов, что необходимо для получения толстых (порядка 1 мм) алмазных пластин. Диаметр плазмы равен примерно половине длины волны (6,1 см для частоты 2,45 ГГц), что является фундаментальным ограничением. Увеличить площадь осаждения можно переходом на более низкие частоты. СВЧ реактор мощностью до 100 кВт, работающий на частоте 915 МГц, обеспечивает скорости роста до 1 г/час на подложке диаметром до 30 см.

Оригинальная камера-резонатор в виде эллипсоида вращения была разработана в группе П. Койдла (Фраунгоферовский институт прикладной физики твёрдого тела, Германия). Излучающая антенна размещается в одном из фокусов эллипсоида, а подложка – в другом, где фокусируется СВЧ излучение [39]. В настоящее время реакторы такого типа выпускаются фирмой «Aixtron AG» [www.aixtron.com] в двух вариантах: мощностью 6 кВт (2,45 ГГц) и 60 кВт (915 МГц), они позволяют получать материал оптического качества.

Лазерный плазмотрон

Возможно одним из самых интересных подходов к осаждению алмаза, предложенных в последнее время, является использование для этой цели лазерного плазмотрона [40]. Нагрев газовой струи в таком плазмотроне осуществляется плазмой непрерывного оптического разряда, поддерживаемого непрерывным лазерным излучением. В оптического разряде достигаются более высокие температуры (около 20000оС), чем в случае высокочастотных и СВЧ-разрядов, что позволяет расcчитывать и на более высокие скорости осаждения. При использовании плазмы, созданной фокусировкой луча СО2 лазера мощностью 2,5 кВт (длина волны 10,6 мкм), достигнуты скорости осаждения 40-60 мкм/час на подложках площадью порядка 1 см2. Увеличение скорости и площади осаждения можно ожидать при более высокой лазерной мощности, но пока этот метод развивается лишь на лабораторном уровне.

Нанокристаллические алмазные плёнки

Со времени появления первых работ (1994 г.) учёных из Аргонской национальной лаборатории (АНЛ, США) [41] и Института общей физики РАН [42], которые обнаружили, что микроструктурой алмазных пленок и размером кристаллитов в диапазоне от микро- до нанометров можно эффективно управлять путем изменения условий плазмохимического осаждения (в частности, посредством выбора соответствующей газовой среды), интерес исследователей ведущих лабораторий в США, Европе и Японии к нанокристаллическим алмазным пленкам непрерывно растет.  Появляются новые данные об уникальных свойствах этих пленок [43].

Термин «ультрананокристаллический алмаз» (УНКА), обозначающий структурно-чистые алмазные плёнки со средним размером кристаллитов 5 нм (которые синтезируются из обогащенных аргоном газовых сред), был введен учеными из АНЛ, чтобы отличать УНКА пленки от нанокристаллических пленок субмикронной толщины с размером зерна 50-100 нм, получаемых из Ch5-h3 плазмы [44]. При нанометровых размерах зерна (3-15 нм), УНКА плёнки обладают исключительно малой величиной поверхностной шероховатости (20-40 нм), что при высокой микротвёрдости и износостойкости, химической инертности значительно расширяет область их применений в микроэлектромеханических системах [45], электронике [46] по сравнению с микрокристаллическими плёнками.

Из-за малого размера зерна роль и влияние межзёренных границ на макроскопические свойства УНКА материала становится определяющей. Свойства УНКА пленок сильно зависят от наноструктуры межзеренных границ, определяемой внедрением в них примесных атомов, таких как водород, азот, кремний в процессе синтеза при вводе соответствующих газов в Ch5/Ar плазму [47]. Данная проблема «легирования УНКА» является одной из важнейших в газофазном синтезе ультрананокристаллического алмаза.

Процесс синтеза УНКА проводят в СВЧ плазме в смеси  Ar/h3/Ch5, с пониженной (вплоть до нуля) концентрацией Н2, причем аргон является основным компонентом в смеси [48]. Предполагается [49], что основным радикалом, «строительным кирпичиком» в механизме роста УНКА, является димер С2 в отличие от метилового радикала СН3 при синтезе полиалмаза. Процесс наращивания УНКА сопровождается интенсивной вторичной нуклеацией, что не позволяет разрастаться кристаллитам алмаза, сохраняя их нанометровые размеры даже при значительных (единицы и десятки мкм) толщинах пленки.

Обнаружено [50], легированные азотом нанокристаллические алмазные пленки обладают проводимостью n-типа, причем возможно получение пленок с очень низким удельным сопротивление (<0.01 Ом*см). Таким образом, введение азота является альтернативой традиционному способу обеспечения проводимости алмаза за счет легирования бором. Проводящие алмазные пленки представляют большой интерес для электрохимии, где на их основе разрабатываются очень стабильных электродов для электрохимических сенсоров, очистки воды, и пр. Говоря о применениях азотированных УНКА-пленок в электронике отметим, что они продемонстрировали весьма низкие, 2-5 В/мкм, поля включения полевой электронной эмиссии [51], а диоды со структурой «УНКА на алмазе р-типа» наряду с высоким (108) коэффициентом выпрямления показали рекордную температурную стабильность, вплоть до 1060ºС [52].

Отметим, что несмотря на интерес к получению УНКА, в литературе имеется гораздо меньше сообщений, раскрывающих детали техники осаждения таких пленок в СВЧ разряде, по сравнению с работами в области синтеза поликристаллических пленок.

Выводы по методам получения алмазных пленок

Активно развиваемые новые газофазные технологии поучения CVD-алмаза выгодно отличаются от традиционных методов синтеза при высоких давлениях в силу: (а) беспрецедентно больших размеров (б) высокой воспроизводимости физических параметров, (в) возможности выращивания изделий заданной формы, (г) возможности нанесения покрытий на поверхности различных материалов. CVD алмаз не содержит ни пор, ни связующего материала, и потому проявляет свойства приближающиеся к свойствам монокристаллов алмаза.

Наиболее подходящим методом для получения особо чистого алмаза является осаждение из СВЧ-плазмы. С другой стороны, в СВЧ плазме, но с использованием более сложных газовых смесей типа метан-водород-аргон (а также азот для легирования) возможно получении и нанокристаллических алмазных пленок со специальными свойствами (низкая шероховатость, высокая электропроводность). Таким образом, перспективным является разработка технологического процесса изготовления и поли- и нанокристаллических пленок на едином оборудовании на базе СВЧ реактора.

Таким образом технологическое оборудование УОАП будет формироваться модифицированным СВЧ реактором, разработанным ООО «Оптосистемы»

1. Matsumoto S., Sato Y., Tsutsumi M., Setaka N.  Growth of Diamond Particles from Methane–Hydrogen Gas // J. Mater. Sci. 1982. V. 17. P. 3106-3112.
2. Fryda M., Herrmann D., Schafer L., Klages C.-P. Properties and Applications of Diamond Electrodes // Proc. ADC/FCT’99. 5th Int. Conf. on the Applic. of Diamond Films and Relat. Mater. 1st Int. Conf. on Frontier Carbon Technol. 1999. P. 165-170
3. Matsui Y., Yabe H., Hirose Y. The Growth Mechanism of Diamond Crystals in Acetylene Flames // Jap. J. Appl. Phys. 1990. V. 29. № 8. Р.1552-1560
4. Ravi K.V. Combustion Synthesis: Is It Most Flexible of the Diamond Synthesis Process? // Diamond Relat. Mater. 1995. V. 4. P. 243-249
5. Okada M., Nishigavara Y., Kubomura K. A Process for Continuous Manufacturing of Diamond in Atmosphere // Diamond Relat. Mater. 2002. V. 11. P. 1479-1484
6. Lowe A.G., Hartlieb A.T., Brand J., Atakan B., Kohse-Honighaus K. Diamond Deposition in Low-Pressure Acetylene Flames: In Situ Temperature and Species Concentration Measurements by Laser Diagnostics and Molecular Beam Mass Spectrometry // Combust. Flame. 1999. V. 118. P. 37-50.
7. Попов С.В., Спицын Б.В., Алексенко А.Е. Получение поликристаллических алмазных плёнок миллиметровой толщины // Труды 1-го Международного семинара по алмазным пленкам, Улан-Удэ, 1991, Техника средств связи, Москва, Серия Технология Производства и Оборудование. Вып. 4, 1991, С. 51-54;
8. Sciortino S., Lagomarsino S., Pieralli F., Borchi E., Galvanetto G. Polycrystalline Diamond Synthesis by Means of High Power Pulsed Glow Discharge CVD // Diamond Relat. Mater. 2002. V. 11. P 573-578
9. Chapliev N.I., Konov V.I., Pimenov S.M., Prokhorov A.M., Smolin A.A. Laser-assisted selective area deposition of diamond films // Applications of Diamond Films and Related Materials. Elsevier Science Publishers. Amsterdam. 1991. P. 417-421.
10. Eun K.Y., Lee J.K., Lee W.-S., Baik Y.-J. Free-Standing Diamond Wafers Deposited by Single-and-Multi-Cathode Direct Current Plasma Assisted CVD // Proc. Appl. Diamond Conf./Frontier Carbon Technol. Tsukuba. Japan. 1999. P. 175-178
11. Kurihara K., Sasaki K., Kawarada M., Koshino N. High Rate Synthesis of Diamond by DC Plasma Jet Chemical Vapor Deposition // Appl. Phys. Lett. 1988. V. 52. P. 437-438.
12. Ohtake N., Yoshikawa M. Diamond Film Preparation by Arc Discharge Plasma Jet Chemical Vapor Deposition in the Methane Atmosphere // J. Electrochem. Soc. 1990. V. 137. P. 717-722.
13. Aksenov I.I., Vasil’ev V.V., Strel’nitskij V.E., Shulaev V.M., Zalesskij D. Yu. Arc Discharge Plasma Touch for Diamond Coating Deposition // Diamond Relat. Mater. 1994. V. 3. P. 525-527
14. Lu F.X., Zhong G.F., Sun J.G., Fu Y.L., Tang W.Z., Wang J.J., Li G.H., Zang J.M., Pan C.H., Tang C.X., Lo T.L., Zhang Y.G. A new type of DC arc plasma torch for low cost large area diamond deposition // Diamond Relat. Mater. 1998. V. 7., No. 6, P. 737.
15. Partlow W.D., Schreurs J., Young R.M., Martorell I., Dighe S.V., Swartzbeck G., Burton J. // Applications of Diamond Films and Related Materials: Third International Conference. NIST Spec. Publ. 1995. 885. P. 519-524
16. Gray K.J., Windishmann H. Free-Standing CVD Diamond Wafers for Thermal Management by DC Arc Jet Technology // Diamond Relat. Mater. 1999. V. 8. P. 903-908
17. Переверзев В.Г., Ральченко В.Г., Смолин А.А., Власов И.И., Образцова Е.Д., Конов В.И., Метев С., Оцеговски М., Зепольд Г. Осаждение алмазных покрытий из газовой фазы методом электродугового плазмотрона постоянного тока // Физика и химия обработки материалов. 1999. № 2. C. 28-36.
18. Pereverzev V.G., Pozharov A.S., Konov V.I., Ralchenko V.G., Brecht H., Metev S., Sepold G. Improved DC Arc-Jet Diamond Deposition with a Secondary Downstream Discharge // Diamond Relat. Mater. 2000. V. 9. P. 373-377.
19. Sevillano E. Microwave-Plasma Deposition of Diamond // Low-Pressure Synthetic Diamond. Springer Publishers. Berlin. 1998. P .11-39.,
20. P.K. Bachmann. Microwave-Plasma Chemical Vapor Deposition of Diamond // Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films. Marcel Dekker. New York. 1997. P. 821-850.
21. Isberg J., Hammetrsberg J., Johansson E., Wilkstrom T., Twitchen D.J., Whitehead A.J., Coe S.E., Scarsbrook G.A. High Carrier Mobility in Single-Crystal Plasma-Deposited Diamond // Science. 2002. V. 297. P. 1670-1672.
22. Kamo M., Sato Y., Matsumoto S., Setaka N. Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma // J. Crystal Growth. 1983. V. 62. P. 642.
23. Sevillano E. Microwave-Plasma Deposition of Diamond // Low-Pressure Synthetic Diamond. Springer Publishers. Berlin. 1998. P. 11-39.
24. Funer M., Wild C., Koidl P. Novel microwave plasma reactor for diamond synthesis // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 72. P. 1149-1151.
25. Bolshakov A.P., Konov V.I., Prokhorov A.M., Uglov S.A., Dausinger F. Laser Plasma CVD Diamond Reactor // Diamond Relat. Mater. 2001. V. 10. P. 1559-1564.
26. D. M. Gruen, S. Liu, A. R. Krauss, J. Luo, X. Pan. Fullerenes as Precursors for Diamond Film Growth Without Hydrogen or Oxygen Additions // Applied Physics Letters. 1994. V. 64. P. 1502-1504.
27. V.I. Konov, A.A. Smolin, V.G. Ralchenko, S.M. Pimenov, E.D. Obraztsova, E.N. Loubnin, G. Sepold, S.M. Metev. D.c. arc plasma deposition of smooth nanocrystalline diamond films // Diamond and Related Materials. V. 4. 1995. No 8. P. 1073-1078.
28. Dieter M.Gruen, Olga A. Shenderova and Alexander Ya. Vul’. Electronic Properties and Applications of Ultrananocrystalline Diamond, in Synthesis, Properties and Applications of Unltrananocrystalline Diamond, NATO Science Series. V. 192. 2005. P. 373-382.
29. S-P. Hong, H. Yoshikawa, K. Wazumi, Y. Koga. Synthesis and tribological characteristics of nanocrystalline diamond film using Ch5/h3 microwave plasmas // Diamond and Related Materials. V. 11. 2002. No 3-6. P. 877-881.
30. A.R. Krauss, O. Auciello, D.M. Gruen, et al. Ultrananocrystalline diamond thin films for MEMS and moving mechanical assembly devices // Diamond and Related Materials. V. 10. 2001. P. 1952-1961.
31. R. Arenal, P. Bruno, D.J. Miller, M. Bleuel, J. Lal, D.M. Gruen. Diamond nanowires and the insulator-metal transition in ultrananocrystalline diamond films. // Physical Review B. V. 75. 2007. P. 195431-1 – 195431-7.
32. P. Zapol, M. Sternberg, L.A. Curtiss, T. Frauenheim, D.M. Gruen. Tight-binding molecular-dynamics simulation of impurities in ultrananocrystalline diamond grain boundaries. // Physical Review B. V. 65. 2001. P. 045403.
33. F. Benedic, F. Mohasseb, P. Bruno, F. Silva, G. Lombardi, K. Hassouni, A. Gicquel, Synthesis of nanocrystalline diamond films in Ar/h3/Ch5 microwave discharges, in D.M. Gruen et al (eds), Synthesis, Properties and Applications of Ultrananocrystalline Diamond, Springer, 2005, pp. 79-92.
34. D.M. Gruen, Nanocrystalline diamond films, Annu. Rev. Mater. Sci. 29 (1999) 211-259.
35. S. Bhattacharyya, O. Auciello, J. Birrell, J.A. Carlisle, L.A. Curtiss, A.N. Goyette, D.M. Gruen, A.R. Krauss, J. Schlueter, A. Sumant, P. Zapol, Synthesis and characterization of highly-conducting nitrogen-doped ultrananocrystalline diamond films,  Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 1441-1443.
36. T.D. Corrigan, D.M. Gruen, A.R. Krauss, P. Zapol, R.P.Y. Chang, The effect of nitrogen addition to Ar/Ch5 plasmas on the growth, morphology and field emission of ultrananocrystalline diamond, Diamond Relat. Mater., 11 (2002) 43-48.
37. T. Zimmerman, M. Kubovich, A. Denisenko, K. Janischowsky, O.A. Williams, D.M. Gruen, E. Kohn, Ultra-nano-crystalline/single crystal diamond heterostructure diode, Diamond Relat. Mater. 14 (2005) 416-420

Метки

Алмазная пленка, Алмазы, Плазма, Плазмотрон, Получение, Технологии

as-pp.ru

Алмазная пленка - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Алмазная пленка

Cтраница 1

Алмазные пленки с преимущественной ориентацией микрокристаллитов, которые называют ориентированными или текстурированными, были получены на монокристаллических подложках из кремния, никеля, кобальта, SiC, кубического BN, иридия и платины ( см. [59]), однако гетероэпитаксиальные монокристаллические алмазные пленки с диаметром более 1 мм не были получены вплоть до последнего времени. Монокристаллические Ir и Pd являются одними из наиболее перспективных материалов, которые рассматриваются как подложки для гетероэпитаксиального роста монокристаллических алмазных пленок. Кроме того, оба вещества не образуют карбидов и достаточно слабо растворяют углерод. Получены гетероэпитаксиальные пленки размером до 5 мм.  [1]

Эпитаксиальные алмазные пленки, очевидно, могут быть получены лишь в условиях, когда скорость роста алмаза много больше скорости роста графита. Это также возможно, если подобрать некоторый гипотетический травитель, который не действовал бы на алмаз, но газифицировал зародыши графита. Все усилия по синтезу эпи-таксиальных алмазных пленок направлены именно на подавление роста графита при сохранении значительной скорости роста алмаза.  [2]

Рост алмазных пленок возможен и при более низких температурах, но при очень малой концентрации метана в смеси с водородом.  [3]

Первые попытки получения алмазных пленок были связаны с наращиванием крупных монокристаллов алмаза ( с линейным размером 3 - 4 мм) в тех же условиях, что и алмазных порошков. Небезынтересно отметить, что при этом на алмазных монокристаллах получены линейные скорости роста, значительно превышающие линейные скорости роста частиц алмазных порошков.  [4]

С помощью импульсного способа кристаллизации наращены эпи-таксиальные алмазные пленки, получены нитевидные и изометрич-ные кристаллы алмаза.  [5]

По-видимому, наиболее экономичным является создание алмазных пленок методами газофазного осаждения с одновременным легированием их бором. При осаждении таких пленок возникает ряд проблем. Одна из них связана с тем, что алмазная пленка - поликристаллическая, что приводит к неоднородности растущей поверхности, дополнительному рассеянию света гранями, гетерированию дефектов поверхностью микрокристаллов. Последнее, в свою очередь, может привести к изменению механизма электрической проводимости.  [6]

Впервые предложен и реализован способ получения алмазных пленок методом лазерного испарения УДА. Исследованы режимы испарения УДА в случае рубинового ( Х694 нм) и неодимового ( Х1060 нм) лазеров.  [7]

Зато появилась надежда получать224 из фуллерена апмазы и алмазные пленки.  [8]

С использованием УДА пленки как зародышевого слоя получены алмазные пленки улучшенного качества методом химического плазменного осаждения: тонкие, однородные. Получены качественные алмазные пленки с хорошей адгезией на образцах карбида вольфрама, пригодные для практического использования в качестве режущих инструментов.  [9]

Среди современных материалов па алмазной основе особое место занимают алмазные пленки.  [10]

Методы химического парового осаждения ( CVD) позволяют получать алмазные пленки.  [11]

Разработанные к настоящему времени технологии получения высокочистых монокристаллов алмаза с заданными свойствами и алмазных пленок открывают новые перспективы их использования при изготовлении оптических окон для мощных лазеров и оптических приборов, теплоотводов, элементной базы для создания мощных транзисторов и различного рода датчиков, в частности, датчиков радиационного излучения.  [12]

Уменьшение величины порогового автоэмиссионного поля связано с резким уменьшением концентрации х / - связей и слабым увеличением концентрации яр2 - связей в алмазной пленке. Следует заметить, что хотя определенное количество зр2 - связей требуется для проявления автоэмиссии из алмазной пленки, но этого совершенно недостаточно для появления автоэмиссии при низких пороговых полях.  [14]

Страницы:      1    2    3

www.ngpedia.ru

Алмазными пленками научились покрывать любые поверхности

Европейские физики создали метод нанесения алмазных пленок нанометровой толщины на подложку из практически любого материала. В качестве тестовых образцов они создали несколько электронных устройств, а также механических резонаторов. Препринт работы выложен на сайте arxiv.org.

Авторы получали алмазные пленки на основе кварцевого субстрата, «усеянного» нано-алмазами, выступавшими в качестве зародышей будушей пленки. В качестве основного метода использовалось плазменно-химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ): субстрат помещался в водородную плазму с небольшой концентрацией метана, система поддерживалась при темпераутре 510-560 градусов Цельсия и давлении 33-40 миллибар.

Ключевой особенностью работы стала следующая идея авторов: условия роста пленки (температура, давление, наличие примесей) можно подобрать так, что по достижению определенной толщины она начнет трескаться. С одной стороны это ведет к тому, что нельзя получить алмазную пленку большой толщины, с другой стороны, таким путем можно добиться отслаивания фрагментов пленки от субстрата. Затем фрагмент нужного размера и формы можно поднять при помощи клейкой ленты и поместить на любую подложку, после чего ленту аккуратно отклеить: на этот процесс нужно около десяти минут.

Слева: выбор подходящего фрагмента пленки.Справа: постадийный процесс переноса алмазной пленки на подложку.

препринт

Для демонстрации концепта авторы создали два электрода на основе алмазной пленки, допированной атомами бора. Также они сделали несколько механических резонаторов из кварцевой подложки с отверстием заданного диаметра, на которую помещали алмазную пленку, которая выступала как барабанная мембрана. Измеренные характеристики всех демонстрационных устройств находились в соответствие с литературными данными и теоретическими представлениями для аналогов, на основании чего авторы выносят положительный вердикт своей работе.

Сам по себе синтез алмазных нанопленок не является новой идеей. Такие объекты сравнительно давно известны благодаря своим уникальным набором свойств: огромная теплопроводность, полупроводимость (если их допировать атомами других элементов), механическая прочность, прозрачность, биологическая инертность, доступность для химической модификации, — это только часть списка. Однако их применение ограничивается сложностью синтеза, а именно той его части, где пленку надо отделить от субстрата и поместить на нужную подложку. Именно эту проблему решает настоящая работа. Однако авторы видят и ограничения: так, выбор подходящего фрагмента пленки осуществляется при помощи оптического микроскопа и занимает достаточно много времени, что исключает возможность автоматизации. Тем не менее, в областях, где важны точные свойства, а не крупнотоннажность, новый метод может найти свое применение.

В очередной раз стоит отметить использование клейкой ленты в научных открытиях: в предудущем случае «скотч» прославился в открытии графена нобелевскими лауреатами Александром Геймом и Константином Новоселовым. В этот раз главным героем работы выступал не он, а специально синтезированная лента из полидиметилсилоксана (ПДМС), однако идея и концепция остались прежними.

nplus1.ru

Алмазные пленки

studfiles.net

Виниловая алмазная крошка для автомобиля: плюсы и минусы

Оклейка «железного коня» пленкой получила огромную популярность у российских автолюбителей. Наверное, каждая третья машина пестрит глянцевым, карбоновым или матовым покрытием, и этим сегодня никого не удивить. Не так давно на автомобильном рынке появилась виниловая пленка улучшенного качества с безграничными возможностями и отменными внешними данными. Дорогое эксклюзивное покрытие под названием алмазная крошка меняет экстерьер авто. Чем же оно так уникально? Давайте разберемся.

Детальное описание

Виниловая алмазная крошка на авто – отличный вариант для машины люкс-класса. Безупречно она смотрится на отечественном ВАЗе и автомобиле иностранного производства. Любую марку приукрасит роскошная клеевая основа с алмазным напылением. Только представьте, как ваша «красавица» будет переливаться сотнями драгоценных камней под солнечными лучами – такой тюнинг не оставит без внимания ни один автолюбитель.

Внешне она напоминает текстурное матовое покрытие, только с приятной шероховатостью. Придают роскошную бугристость миллионы микроскопических блесток. Именно они задают тон экстерьеру. Интересный факт – в пасмурный день алмазная крошка выглядит как обычная матовая пленка, а в солнечную погоду «загорается», как звездочка, тысячами мелких кристалликов. Теперь вы поняли, откуда такое название.

Надо заметить, что сфера ее применения огромна. Обрабатывают ею не только корпус машины, еще покрытие идеально подходит в качестве декорирования оргтехники, мебели и гаджетов. Кстати, ее можно сочетать с другими видами пленок и комбинировать цвета. Смотрится креативно и ярко.

Как выбрать

Виниловые покрытия бывают нескольких типов. Совсем тонкая пленка используется для оформления рекламных баннеров, и для оклеивания она не подходит (быстро порвется). Выбирать нужно по толщине. Качественная алмазная крошка должна быть не меньше 100 микрон. Такая клеевая основа прослужит вам долго и защитит от погодных явлений (атмосферных осадков и ультрафиолетового излучения).

При выборе стоит обращать внимание на компанию-производителя. Выбирайте фирму, которая применяет только высокотехнологичное оборудование. Также следует учитывать прочность, тип клеевого слоя и эластичность покрытия. Перед покупкой лучше проконсультируйтесь со знающим человеком, чтобы не ошибиться в выборе и не переплатить.

Основные преимущества

Виниловая пленка с алмазным напылением скроет лакокрасочные неточности, царапины и потускнения. Она придаст «железному коню» блеска, шарма и богатства. Это лучшая альтернатива остальным покрытиям. Срок ее эксплуатации вас удивит - он составляет около пяти лет.

Она износостойка и выдерживает как высокие, так и низкие температуры. Пленка-хамелеон выпускается в разных цветовых решениях, поэтому каждый сможет подобрать оттенок по душе. Она имеет достаточно эластичную структуру и отлично тянется, что позволяет оклеивать даже большие детали, не прилагая особых усилий.

Недостатки

Алмазная крошка имеет несколько минусов. Если ваш автомобиль был неровно покрашен, то во время снятия пленки вся краска останется на ней. Специалисты не рекомендуют наносить ее частично, поскольку при выгорании автомобильного покрытия и удалении клеевого слоя машина будет некрасиво смотреться. Нельзя мыть оклеенную машину сильным напором воды, так как возможно отслоение и повреждение крошки.

Стоимость

У разных производителей стоимость отличается. В среднем около 400-700 руб/метр стоит алмазная крошка. Пленка (фото представлено в статье) на виниловой основе придаст оригинальности и подчеркнет вашу индивидуальность. Доверьте работу настоящему мастеру. Ведь неправильное нанесение без необходимых навыков и инструментов приведет не только к повреждению лакокрасочного покрытия, но и к образованию складок и быстрому износу самой клеевой основы.

fb.ru

Способ получения алмазных пленок методом газофазного синтеза

Изобретение относится к области получения высокоэффективных пленок для получения эмиттеров электронов. В способе получения алмазных пленок методом газофазного синтеза, включающим нагрев металлической нити и подложки в потоке водорода, подачу углеродосодержащего газа в поток и осаждение алмазной пленки на подложке в смеси водорода с углеродосодержащим газом, удаление излишков графитовой фазы в водороде, металлическую нить нагревают до 1800-2800°С, подложку нагревают до 600-1000°С, проводят осаждение через защитный сетчатый экран, расположенный между металлической нитью и подложкой и нагретый до 800-2000°С, при концентрации углеродосодержащего газа в газовом потоке 2-10% и давлении газовой смеси 5-300 Торр. Техническим результатом является получение нанокристаллических алмазных пленок с высокими электронно-эмиссионными характеристиками. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области получения высокоэффективных пленок для полевых эмиттеров электронов, которые могут быть использованы для создания плоских дисплеев, в электронных микроскопах, СВЧ-электронике и ряде других приложений.

Формула изобретения

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.07.2009

Дата публикации: 27.08.2011

www.findpatent.ru

Алмазные пленки

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................... 3

Синтез углеродных алмазоподобных пленок ионным

методом................................................................................. 3

Метод ионно-лучевого осаждения.................................... 3

Описание установки........................................................... 6

Характеристики ионного источника............................... 8

Синтез алмазных пленок при взаимодействии низкотемпературной плазмы с поверхностью молибдена........................................... 10

Экспериментальная установка......................................... 11

Литература........................................................................... 13 ВВЕДЕНИЕ

Алмаз - самый твердый материал из всех ныне известных, и в наименьшей степени, чем какой-либо другой материал, поддается сжатию. Алмаз обладает также большой теплопроводностью при комнатной температуре, и если в нем нет дефектов и посторонних включений, это один из самых прозрачных для видимого света материал.

Свойства алмаза обусловлены его необычной кристаллической структурой. Помимо чисто научного интереса необычные свойства алмаза делают его весьма полезным для технических целей. Этот драгоценный камень широко используется как абразив в промышленности, в промышленности, как режущий инструмент в хирургии и как теплоотвод в электронных приборах. Установлено, что алмазы, содержащие различные примеси, ведут себя как полупроводники. Но природные кристаллы слишком малы и дороги для практического применения. Сейчас положение в этой области исследования меняется. В течении последних лет специалисты разработали немало технологических приемов осаждения алмазных пленок толщина которых лежит от сотен ангстрем до нескольких миллиметров. Синтез алмазных и алмазоподобных пленок является актуальной задачей на сегодняшний день.

Тонкие алмазные пленки привлекают к себе все большее внимание благодаря таким уникальным свойствам, как чрезвычайно высокая твердость, высокая теплопроводность, прозрачность в широком оптическом диапазоне, большое удельное сопротивление. Кроме того, алмазные пленки со специально введенными примесями могут использоваться в качестве полупроводниковых материалов. В большинстве случаев специфические свойства пленок обусловливаются различными типами дефектов, многие из которых могут быть обнаружены с помощью ЭПР. Однако их идентификация сталкивается с огромными трудностями, поскольку микрокристаллиты в этих пленках, как правило, частично ориентированы. Более определенными в этом отношении оказываются полностью неупорядоченные поликристаллические алмазы, карбонадо.

ССМ изображение алмазоподобной пленки на поверхности стекла. Размер скана 286x280 нм.

Синтез углеродных алмазоподобных пленок ионным методом.

Метод ионно-лучевого осаждения

Одним из основных достоинств метода осаждения из ионных пучков является возможность получения веществ, не существующих в природе или находящихся при нормальных условиях в метастабильном состоянии (например, алмаз, карбид кремния).

Ранее такие материалы получали только при высоких давлениях и температуре или в сильных ударных волнах. Рост пленки при ионно-лучевом осаждении позволяет получать плотные кристаллические модификации, не прибегая к традиционным методам.

Существует большое количество веществ имеющих ряд устойчивых кристаллических модификаций. В каждом состоянии решетка будет обладать своим минимумом свободной энергии. Так для углерода существует несколько устойчивых модификаций соответствующих графиту, алмазу, металлическому углероду и другим плотным алмазоподобным структурам. В таком случае обеспечить ионам энергию, необходимого для преодоления потенциального барьера, отделяющего одну кристаллическую фазу от другой, можно простым регулированием потенциала подложки. Причем разброс ионов по энергии не должен превышать разность в высоте потенциальных барьеров, разделяющих две близких кристаллических модификации. Максимальная энергия падающих ионов определяется энергетическим порогом дефектообразования (для алмаза 60-80 эВ). С учетом возможной потери энергии падающих ионов и диапазон их энергетического распределения является важнейшим, но не единственным условием, т.к. механизм взаимодействия при синтезе материалов из энергетических ионных пучков сложен. Осаждение иона на поверхность сопровождается релаксационными колебаниями, разогревом поверхности за счет выделения энергии. Перечисленные эффекты, безусловно, не охватывают весь комплекс явлений сопровождающих процесс конденсации. Действие некоторых из них будет отрицательным для синтеза. Воздействовать на степень того или иного эффекта можно различными путями, например, изменять температуру подложки или условия подлета ионов к поверхности или одновременно с осаждением ионов облучать поверхность электронными или ионными пучками. В исследовании источником ионов является прототип космического электрореактивного двигателя (ЭРД), который в литературе называют ускорителем с анодным слоем и азимутальным дрейфом (УАД). В УАД разгон ионов происходит в квазинейтральной плазме, а потому могут быть получены более высокие, чем обычно, значения плотностей ионного тока. УАД обладает также рядом других достоинств: универсальностью к рабочему веществу, возможностью управления потока и т.д. Принципиальная схема источника показана на рис.1.

Со стороны анода в ускоритель поступает поток ионов, которые создаются вблизи анода путем ионизации нейтральных атомов. Металлические стенки ускорительного канала находятся под катодным потенциалом. Магнитная система создает в кольцевом зазоре ускорителя радиальное магнитное поле, постепенно спадающее в области анода и у среза ускорителя. Магнитное поле в основном имеет поперечную компоненту, а электрическое - продольную, поэтому такие системы называют еще ускорителями в скрещенных электрических и магнитных полях или ВЕ разрядом. В скрещенных В и Е полях на электроны действует сила Лоренца, вызывая их дрейф в азимутальном направлении. В результате, в кольцевом зазоре формируется двойной азимутально-однородный электрический слой. В этих условиях подвижность электронов поперек магнитного поля резко ограничена и внешнее электрическое поле совершает работу главным образом над ионами, ускоряя их вдоль оси системы.

Основные достоинства рассматриваемого метода - высокая точность и возможность измерения весьма малых токов. К недостаткам цилиндра Фарадея относятся большие размеры и невозможность получить информацию о токе пучка, не нарушив его. Принципиальная схема цилиндра Фарадея показана на рис.2.

Описание установки.

Схема используемой установки для напыления пленок показана на рис.3. В рабочий откачиваемый объем помещен источник ионов (1), формирующий поток ионизированного газа. Перед соплом источника крепится подложка (2) - пластина монокристалла кремния, нагреваемая пропусканием постоянного тока.

При работе с ионным источником необходимо знать его характеристики. На рис.4,5 представлены зависимости плотности ионного тока в зависимости от расстояния до источника и угла в плоскости оси источника соответственно.

Одна из важных проблем при получении покрытий данным способом связана со стабильностью свойств плёнки при нормальных условиях после её охлаждения (адгезия, например). Необходимо оптимизировать теплофизические условия синтеза, среди которых - понижение температуры подложки - одна из основных проблем. Установлено, что для синтеза плёнок оптимальная температура подложки (Мо, Si ): Тп = 1070-1300К [6 -14]. Тем не менее возникают вопросы, связанные с точностью измерения температуры поверхности. При использовании пирометрического двух-лучевого способа измерения необходимы поправки с учетом свойств пламени и оптических свойств изменяющейся растущей углеродной плёнки. Термопарный метод так же нуждается в поправках, связанными с теплофизическими свойствами подложки и способами крепления термопары. Известно, что пламенный метод характеризуется значительными тепловыми потоками ( > 2 Mвт/м2) и температура поверхности роста может существенно отличаться от измеряемой температуры подложки. Важно определить температуру поверхности на начальной стадии роста, когда монокристаллы растут свободно: перед тем, как вырастет сплошная плёнка. Такой подход позволит лучше понять механизм зарождения алмазной плёнки.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКАУстановка позволяет провести исследования при известных [6-14] условиях синтеза: температура подложки - от 300 до 1500 К; расход газов: 1 - 4 л /мин и их отношение: R = О2 /C2h3 - до 2.5; расстояние между ядром пламени и подложкой - более 0.5мм. На рис.1 изображены: горелка - 1 (диаметр сопла: 1мм) над поверхностью подложки - 2, помещенной в теплообменник - 3 с зажимами - 4; теплоизолятор - 5 между подложкой и теплообменником, укреплённым на координатнике - 6; термопара - 7 вставлена в тело подложки и поджата пружинами - 8; измерители расхода воды - 9 и газов -10. В качестве материала подложки использовали молибденовые цилиндры (высота 5 и диаметр 10 мм). Спай термопары прижимался к подложке с помощью пружин. Проведенное исследование с помощью теплового датчика показало, что температура поверхности выше температуры подложки в точке измерения не более чем на 17 К при Тп = 900 К, а ошибка в измерении температуры, связанная со способом крепления термопары в молибденовой подложке, не превышает 60К при температуре 900К и определялась по точкам плавления химически чистого олова и меди в качестве реперов в специальном эксперименте.

Поверхностный слой плёнок исследовался на спектрометре комбинационного рассеяния (КР) "TRIPLEMATE (SPEX - USA) и на сканирующем электронном микроскопе "Fillips". При электронно-графическом исследовании на просвечивающем микроскопе "Jeol - 100 СX" для калибровки использовали частицы золота и природные алмазы.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Литература1.     АЛМАЗ в электронной технике. Сборник статей. Отв. ред. В.Б. Квасков. Москва, Энергоатомиздат. 1990 г. 245стр.

2.     Рассеяние света в твёрдых телах. Под. ред. М. Кардона и Г. Гюнтеродта// Вып. 3, М.: Мир, 1985.

3.     В.А. Черепанов, А.С. Золкин, Б.А. Колесов, К.Т. Мурзахметов, B.И. Семёнов. АЛМАЗОПОДОБНЫЕ ГРАНУЛИРОВАННЫЕ ПЛЁНКИ НА КРЕМНИИ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ ГОРЕНИИ АЦЕТИЛЕНА.

http://www.nsu.ru/cgi-in/psj?fname=http://src.nsu.ru/win/journals/phys_stud/articles/paper5.html

www.coolreferat.com

• 
  Пленки tyvek
• 
  Картинки пленки
• 
  Антибликовое пленка
• 
  Толстые пленки
• 
  Установка пленки
• 
  Пленка прием
• 
  Пленкой oracal
• 
  Капот пленка
• 
  Ширина пленки
• 
  200 пленка
• 
  Пленка экран