CN100465353C - 含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜的制备方法。该方法选择二甲基二乙氧基硅烷的甲醇溶液作为沉积液，采用电化学沉积的方法，石墨作阳极，单晶硅片作阴极，通过直流高电压作用在阴极上得到含有二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜。其特点是：设备简单，沉积温度低，可以大面积合成含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳膜。本发明有望在机械摩擦、电学、光学等领域得到应用。

Description

含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜的制备方法。
技术背景
类金刚石碳(DLC)薄膜由于具有与金刚石类似的性质，因而被认为是光、电、摩擦保护涂层等领域的理想材料。这些性质包括极好的化学惰性、极高的硬度、极低的摩擦系数、原子水平的表面光洁度、好的光学透过性和高的导热性。然而，类金刚石碳薄膜具有很高的残余应力，这极大的限制了它的应用。这些残余应力降低了膜基结合力，在高的接触应力作用下，薄膜就会发生破裂、分层。为了在不损失硬度的情况下降低薄膜的内应力，人们努力发展具有纳米结构的类金刚石碳复合薄膜。具有纳米结构的类金刚石碳复合薄膜，主要可以分为两种：一种是由无规则的碳网络和无规则的硅网络组合而成；另一种是由SiC、Si3N4、SiOx(x≤2)等纳米颗粒镶嵌进无规则碳基质中而成。这些复合薄膜跟各种底材(如金属、塑料、陶瓷、半导体)都能很好的结合，而且表现出高硬度、低内应力、良好的热稳定性和耐磨性能，与传统的类金刚石碳膜相比具有明显的优势。目前类金刚石碳复合薄膜的制备一般采用化学气相沉积法和物理气相沉积法，如离子束辅助沉积、射频磁控溅射沉积等。但是气相合成实验装置复杂，需要较高的真空和较高的温度，工艺参数严格。近年来，科研人员利用电化学沉积技术，以有机溶剂作为碳源制备出了类金刚石碳膜。而且与气相沉积方法相比，液相沉积具有很多的优点，如可以在复杂形状表面上大面积沉积、沉积温度低、低能耗、设备简单等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉而且容易操作的制备含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜方法。
用该方法制备的薄膜均匀性好，薄膜含有多晶二氧化硅纳米颗粒，为沉积类金刚石碳纳米复合薄膜提供了一种新的思路。薄膜有可能用于微电子装置和光学设备。
本发明选择二甲基二乙氧基硅烷的甲醇溶液作为沉积液，采用电化学沉积的方法，石墨作阳极，单晶硅片作阴极，通过直流高电压作用在阴极上得到含有二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜。
本发明的制备方法简单易行，主要包括以下步骤：
(1)配制二甲基二乙氧基硅烷的甲醇溶液，二甲基二乙氧基硅烷与甲醇的体积比在1:1～1:9范围内。
(2)将配制好的溶液置于电解反应器中，调节电解液的温度在30～60℃。
(3)单晶硅片夹在石墨片上作阴极，石墨作阳极。
(4)采用直流高电压500～1500V作用，沉积时间为2～10小时。
本发明中所涉及的原料为甲醇和二甲基二乙氧基硅烷(DDS)，其中吸附在负电极的这两种分子在高电压作用下会发生部分价键断裂，根据键能大小判断首先是C-O、C-Si键发生断裂，形成甲基活性基团和二氧化硅活性基团，两种活性基团吸附在负电极表面进而形成含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜。
本发明中所制备的薄膜的结构用拉曼光谱(Raman)、X-射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)进行了表征。结构表明，在单晶硅片上成功制备出了含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜，薄膜中含有多晶二氧化硅纳米颗粒，硅/碳比例在0.05～0.25之间。本发明有望在机械摩擦、电学、光学等领域得到应用。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，通过实例进行说明。
实施例1：
称量20mlDDS和80ml甲醇，将两者混合配置成体积比为1:4的DDS/甲醇溶液。将溶液倒入电解反应器中，通过调节加热水浴的温度使电解液的温度恒定为50℃。将预先清洗好的单晶硅片夹在石墨片上作阴极，纯石墨片作为阳极。施加1200V的直流电压作用于两电极，在沉积过程中电压保持不变，沉积时间为5小时。
Raman光谱图出现明显的D峰和G峰，呈现典型的类金刚石碳结构特征。X射线光电子能谱分析发现薄膜表面硅原子和氧原子化学键和形成Si-O键，而碳原子的结合能与相同沉积条件下得到的纯类金刚石碳膜中碳原子的结果一致，硅碳原子个数比为0.05～0.25。透射电子显微镜显示纳米颗粒包埋在无定型碳基质中，纳米颗粒粒径20～50nm，选区电子衍射表明其中的纳米颗粒是多晶结构的。

Claims (1)

1、一种含二氧化硅纳米颗粒的类金刚石碳复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：
(1)配制二甲基二乙氧基硅烷的甲醇溶液，二甲基二乙氧基硅烷与甲醇的体积比在1:1～1:9范围内；
(2)将配制好的溶液置于电解反应器中，调节电解液的温度在30～60℃；
(3)单晶硅片夹在石墨片上作阴极，石墨作阳极；
(4)采用直流高电压500～1500V作用，沉积时间为2～10小时。
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