CN104178745B - 一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法 - Google Patents
一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法，包括：提供基体材料，并对基体材料表面进行预处理得到较高的金刚石形核率；将预处理过的基体置于微波等离子体化学气相沉积或者热丝化学气相沉积反应器中，在600‑900℃的温度下，制备金刚石/立方碳化硅复合膜；将所得的复合膜进行选择性刻蚀：1）在70℃以上的温度下，在氢氟酸和硝酸的混合腐蚀液中刻蚀，得到多孔金刚石自支撑膜；（2）在500℃以上的温度下，于含氧气体的气氛中加热，得到多孔立方碳化硅自支撑膜。在不使用任何模板和电极材料的情况下，获得的多孔金刚石和多孔立方碳化硅自支撑膜具有可控的孔径，孔隙率以及厚度，适用于工业应用及基础研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法。
背景技术
由于其具有大表面积以及良好的渗透性，多孔材料在基础研究以及工业生产中具有很高的应用价值。通过同原子，离子以及分子间的相互作用，多孔材料在离子交换、过滤、植入材料的涂层、吸附生物化学物质、催化剂载体、药物释放装置、医学诊断等领域具有很高的应用前景。然而，不同的应用对多孔材料的性能要求往往不同，如不同的化学稳定性，机械稳定性，表面亲水/疏水性，孔径大小，孔隙率等。在目前的材料体系中，金刚石和立方碳化硅具有优异的化学、机械以及电学性能。过去的几十年中，在利用化学气相沉积技术低成本制造金刚石和碳化硅薄膜的同时，生产金刚石和立方碳化硅的多孔结构引起了人们的广泛兴趣。其原因在于多孔金刚石和立方碳化硅的元器件在催化剂载体平台，电子器件，燃料电池的阴极等领域具有其它材料所没有的优势。但是，要实现金刚石和立方碳化硅多孔材料的广泛应用，就必须要实现其稳定的、可控性的生产。然而，目前这两种多孔材料的生产仍然具有许多不容忽视的缺点。
多孔金刚石：
由于金刚石极强的化学惰性，生产多孔金刚石极为困难。目前，比较流行的生产多孔金刚石的方法为模板法。其主要包括两种不同的策略：1）直接沉积在多孔基体上[BragaN，Cairo C等，Diamond/porous titanium three-dimensional hybrid electrodes，Journal of Solid State Electrochemistry，v14，2010，313-321;Arora S，Chhoker S等，Growth and field emission characteristics of diamond films on macroporoussilicon substrate，Journal of Applied Physics v104，2008，文章号103524;Baranauskas V，Peterlevitz A等，Method of porous diamond deposition on poroussilicon，Applied Surface Science，v185，2001，108-113]；2）从牺牲模板上刻蚀[Kurdyukov D，Feoktistov N等，Ordered porous diamond films fabricated bycolloidal crystal templating，Nanotechnology，v23，2012，文章号015601;RalchenkoV，Sovyk D等，Diamond Direct and Inverse Opal Matrices Produced by ChemicalVapor Deposition，Physics of the Solid State，v53，2011，1131-1134;Mammana V，Silva S等，Porous freestanding diamond membranes with reduced pore diameter，Thin Solid Films，v353，1999，239-243]。尽管用这两种方法能制备出可控孔隙率的多孔金刚石薄膜，但是其孔径的大小和孔结构很大程度上取决于模板材料。孔径一般为微米级别，并不能满足大部分工业应用的需求。例如，如果要将多孔金刚石应用于生物分子扩散领域，就要求其孔径的大小至少是在纳米级别。与此同时，模板法中的最基本元素——模板的制备，或需要昂贵的设备，或具有复杂的工艺过程，从而增加了多孔金刚石的制备成本。另外，要获得自支撑的多孔金刚石薄膜，又需要对模板材料进行移除，这又增加了一定的技术难度和生产成本。因此，无模板法制备多孔金刚石更受青睐。然而，目前无模板法生产多孔金刚石仍有很大的局限性，而且鲜有报道。Sakaue H，Yoshimura N等人在Applied PhysicsLetters，v83，2003，2226页中描述了利用旋涂法制备多孔金刚石；而Kriele A，Williams O等人在Chemical Physics Letters v507，2011，253页中描述了利用移除金刚石晶界中无定形碳的方法来制备多孔金刚石。然而，这两种方法只能制备具有固定孔隙率和孔径大小的多孔金刚石薄膜，无法进一步控制薄膜的孔隙率和孔径大小。Wei Q，Ashfold M等人在Physica Status Solidi a，v208，2011，2033页中描述了直接在碳化钨基体上沉积多孔金刚石的方法。然而，此方法只能应用于特定的碳化钨基体表面，并且缺乏对其生长机理的理解。从而无法进一步对它的孔径大小和孔隙率进行控制。由此可见，目前仍然缺乏一种适合于工业 化生产的方法来制备具有可控孔隙率和孔径大小的多孔金刚石薄膜。
多孔立方碳化硅:
相对于多孔金刚石来说，生产多孔立方碳化硅的方法就比较成熟了。目前较为广泛应用的多孔立方碳化硅的制备方法主要是通过将立方碳化硅氧化成二氧化硅，然后再由氢氟酸进行二氧化硅的刻蚀来实现的，主要包括在氢氟酸溶液中进行阳极氧化碳化硅薄膜[如Shor J，Kurtz A等;在Journal of the Electrochemical Society，v141，1994，778页]中所述，和光电化学刻蚀碳化硅[如Ke Y，Devaty R等;在PhysicaStatus Solidi b，v245，2008，1396页中所述]这两种方法。通过这两种方法可以制备出具有可控孔径大小（数纳米到数微米）和连续孔网络的立方碳化硅薄膜。用这种办法制备的多孔碳化硅被广泛应用于蛋白质的选择性扩散[Rosenbloom A，Sipe等;在Biomedical Microdevices，v6，2004，261页]，热气体清洁[Nettleship I,Advanced Ceramic Materials，v122，1996，305页]以及催化剂载体[Pham-Huu C，Bouchy C.等;Journal of Applied Catalysis A，v180，1999，385页]等领域。反应离子刻蚀法也曾被用于多孔碳化硅膜的制备。但是该方法需要相当昂贵的设备投入，因此在工业应用上并不是十分推荐。虽然前两种方法的生产成本低，但是它们也有一定的局限性。首先，它们要求制备多孔碳化硅的基体具有良好的导电性，从而无法制备不导电多孔碳化硅作为多孔绝缘膜。同时，这些方法需要在基体表面引入金属电极。这不仅仅在多孔碳化硅膜中引入了金属杂质，也增加要在生产完成后将金属电极去除的步骤，从而增加了生产成本。因此，无电极法制备多孔碳化硅无论在生产还是在应用上都更受欢迎。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法，该方法利用金刚石/立方碳化硅复合膜作为基础材料，通过选择性刻蚀的方法可以制备具有不同孔径大小和孔隙率的多孔金刚石自支撑膜或多孔碳化硅自支撑膜。
本发明技术方案如下：
一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）提供基体材料，并对该基体表面进行预处理，在基体表面获得高于109cm-2的金刚石形核率；
（2）将预处理过的基体放入微波等离子体化学气相沉积设备或者热丝化学气相沉积设备的反应腔体中，在500-1000℃的温度下，充入反应性气体进行化学气相沉积，在基体表面生长金刚石/立方碳化硅复合膜；
（3）在70℃以上的温度，将步骤（2）获得的金刚石/立方碳化硅复合膜在氢氟酸和硝酸的混合腐蚀液中腐蚀，除去其中的碳化硅相，得到多孔金刚石自支撑膜；或者在500℃以上的温度，将金刚石/立方碳化硅复合膜于含氧气体的气氛中加热，除去其中的金刚石相，得到多孔立方碳化硅自支撑膜。
其中；步骤（1）中以镜面抛光的材料作为基体，基体材料的表面粗糙度Rz低于5nm，基体材料可以为硅、钼、石英、钨或碳化钨等。
步骤（1）中，所述预处理是将基体在含金刚石颗粒（颗粒大小小于10微米）的研磨剂中研磨至少十分钟；或者，将基体在含金刚石颗粒的水溶液（颗粒大小最佳为5nm，质量浓度0.05%）中进行超声处理至少十分钟；或者将基体在含金刚石颗粒的水溶液（颗粒大小最佳为5nm，质量浓度0.05%）中浸泡至少十分钟。
步骤（2）中，所述反应性气体为烃类、有机硅烷和氢气，其中：所述反应性气体流量100sccm-1000sccm，有机硅烷与烃类的浓度比为6‰-75‰，烃类体积浓度为0.5%-2%。
步骤（2）中，所述化学气相沉积温度为600-900℃，沉积速率为0.5微米/小时；在微波等离子体设备中，微波功率为500瓦-3500瓦，气压为5Torr-100Torr；在热丝化学气相沉积设备中，灯丝温度为1800K-2200K，气压为5Torr-30Torr。
步骤（2）中，所述金刚石/立方碳化硅复合膜中，金刚石和立方碳化硅的含量比可以通过有机硅烷与烃类的浓度比进行调控；所述金刚 石/立方碳化硅复合膜的厚度可以通过化学气相沉积时间来控制。步骤（3）中获得的多孔立方碳化硅和多孔金刚石的孔径大小和孔隙率通过调节金刚石/立方碳化硅在复合膜中的分布和体积来实现。
步骤（3）中，所述氢氟酸和硝酸的混合腐蚀液中，氢氟酸和硝酸体积比为1：3–6：1；腐蚀温度为70℃以上，腐蚀时间1小时以上，腐蚀时间随薄膜的厚度不同而不同，以达到完全除去碳化硅相并且基体材料也同时被完全移除，得到多孔金刚石自支撑膜。
步骤（3）中，制备多孔立方碳化硅自支撑膜的过程中，所述含氧气氛为空气，纯氧气，或者氧气和氩气混合气体等，加热温度为500℃以上，加热时间1小时以上，加热时间随复合膜的厚度增加而增加，达到完全除去其中的金刚石相。
将金刚石/立方碳化硅复合膜于含氧气氛中加热，除去其中的金刚石相后，通过与酸液反应移除基体材料，得到自支撑多孔立方碳化硅膜；基体材料为硅、钼、石英、钨或碳化钨。金属基体（钼或钨）：稀盐酸或者稀硫酸；基体为硅、石英或碳化钨时：HF和硝酸混合液。
采用上述方法制备的多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的孔径大小为1微米以下，并且均匀分布；自支撑膜的厚度在5微米以上之间。获得的多孔立方碳化硅和多孔金刚石的孔径大小和孔隙率可以通过调节金刚石/立方碳化硅在复合膜中的分布和含量比来实现。
根据本发明，在不使用任何模板以及不引入任何电极材料的情况下，利用选择性刻蚀的金刚石/立方碳化硅复合膜可以获得多孔金刚石和多孔碳化硅的自支撑膜，所述多孔材料的孔径大小和孔隙率可以通过在金刚石/立方碳化硅复合膜中的金刚石/立方碳化硅的含量和分布来进行控制，适用于工业应用。
本发明所制备的多孔金刚石和多孔立方碳化硅自支撑薄膜材料具有如下优点：
1）稳定性好。制备的多孔金刚石和多孔碳化硅在酸性，碱性，有机溶剂以及生物溶液中能保持很好的稳定性。
2）不含金属以及其它杂质。在生产过程中，并没有引入任何金属电极。
3）重复性好。由于生产金刚石/立方碳化硅复合膜有很好的可控性（金刚石/立方碳化硅的比例，以及金刚石和立方碳化硅在复合膜中的分布均可控），由此可以根据实际需要生产出具有一定孔径大小和孔隙率的多孔金刚石和多孔碳化硅膜。
4）可移植性高。自支撑的多孔金刚石和立方碳化硅膜能转移到任何基体上应用。
5）产量高。多孔材料的大小完全取决于原材料复合膜的大小。利用目前最先进的气相沉积设备，复合膜的直径至少能达到4英寸。
6）厚度可控。多孔膜的厚度可以从几百个纳米跨越到几个微米，这个厚度只取决于复合膜的厚度，并且高度可控。
7）电学性能可控。多孔材料的导电性可以通过掺杂等级来进行控制，多孔金刚石的导电性可以通过在复合膜生产过程中进行硼掺杂来控制，而多孔碳化硅的导电性可以通过硼或者氮的掺杂进行控制。
8）生产成本低。除了微波等离子体或者热丝气相沉积设备外，在多孔材料的生产过程中并不需要其他特殊的设备。而气相沉积设备在金刚石和碳化硅的生产中往往都是必须的。
附图说明
图1为本发明所用选择性刻蚀制备多孔金刚石和多孔碳化硅的方法示意图。
图2为实施例中的具有不同的金刚石/立方碳化硅含量的复合膜；其中：（a）高金刚石含量；（b）高立方碳化硅含量。
图3为实施例中制得具有不同孔径大小和孔隙率的多孔金刚石；其中：（a）小孔径，低孔隙率；（b）大孔径，高孔隙率。
图4为实施例中的复合膜和多孔金刚石的拉曼曲线。
图5为实施例中制得的具有不同孔径大小和孔隙率的多孔立方碳化硅；其中：（a）小孔径，低孔隙率；（b）大孔径，高孔隙率。
具体实施方式
以下通过附图及实施例进一步解释或说明本发明内容。
在根据本发明建立的多孔金刚石和多孔立方碳化硅制备方法中，需要首先在基体上沉积金刚石/立方碳化硅复合膜。本发明对基体的材料没有特别要求，可以为硅，钼，石英，钨，碳化钨等。基体表面需要镜面抛光达到粗糙度Rz低于5nm。在步骤1中，需要对基体表面进行预处理，从而达到较高的金刚石形核率，此形核率需要大于109/cm2。预处理的方法包括在含金刚石颗粒的研磨剂中研磨；在含金刚石颗粒的溶液中超声；或者在含金刚石的溶液中浸泡。
在根据本发明建立的多孔金刚石和多孔立方碳化硅制备方法中，在步骤2中，将经过步骤1预处理过的基体材料放入化学气相沉积设备中，气相沉积设备包括：微波等离子体化学气相沉积和热丝化学气相沉积。反应气体为烃类，有机硅烷和氢气。
在根据本发明方法的一个优选实施方式中，在500-1000℃时，优选700-900℃，还更优选750-850℃的温度时进行化学气相沉积。当温度高于1000℃或者低于500℃时，金刚石的生长被抑制，从而无法得到金刚石/立方碳化硅复合膜。
在根据本发明建立的多孔金刚石和多孔立方碳化硅制备方法中，在步骤2中，用于进行化学气相沉积的反应性气体为烃类物质，有机硅烷和氢气的混合物。烃类物质可以为低级烷烃、烯烃或炔烃，在此，“低级烃”一般是指碳原子数为1-4的烃，通常采用的反应性气体是甲烷。通常采用的有机硅烷为四甲基硅烷。反应过程中有机硅烷和烃类物质的浓度比为6‰-75‰，优选20‰-60‰。有机硅烷含量为0.5%-2%，优选1%。总气体流量为100sccm-1000sccm，优选为300sccm-500sccm。
在根据本发明建立的多孔金刚石和多孔立方碳化硅制备方法中，在步骤2中，如果选用微波等离子体设备进行沉积，微波功率在1500瓦-5000瓦时，优选为1800瓦-3000瓦，更优选为2000瓦-2200瓦；在500瓦-1500瓦时，优选为700瓦-800瓦；气压为5Torr-100Torr。如果选用热丝设备进行沉积，灯丝温度为1800K-2200K，气压为5Torr-30Torr。
在根据本发明建立的多孔金刚石和多孔立方碳化硅制备方法中， 在步骤2中，在基体上生长的复合膜厚度可由生长时间控制。一般而言，生长时间越长，所得碳基物质纳米纤维薄膜的厚度越大。复合膜中的金刚石/立方碳化硅的比例和分布可以由有机硅烷和烃类物质的浓度比来控制。一般而言，有机硅烷含量越高，立方碳化硅在复合膜中的含量越高。
在根据本发明的多孔金刚石或多孔立方碳化硅制备方法中，在步骤2中，复合膜生长完成后将系统冷却至室温。
在根据本发明的多孔金刚石或多孔立方碳化硅制备方法中，在步骤3中，多孔金刚石薄膜通过在浓氢氟酸和浓硝酸的混合腐蚀液中刻蚀复合膜中的立方碳化硅相制备得到。腐蚀溶液由浓氢氟酸和浓硝酸的按体积比1：3–6：1，优选为3：1，配制而成。腐蚀温度为50℃以上，优选70℃。腐蚀时间为1小时以上，且随薄膜厚度增加而线性增加。腐蚀结束后，用去离子水中清洗样品。在腐蚀过程中，基体会同时被完全腐蚀，从而得到的多孔金刚石为自支撑膜。
在根据本发明的多孔金刚石或多孔立方碳化硅制备方法中，在步骤3中，多孔碳化硅薄膜通过在400-1000℃以上的温度，优选500-600℃下，将金刚石/立方碳化硅复合膜于含氧气体的气氛中加热，除去其中的金刚石相而制备得到。此含氧气氛可以为空气，纯氧气，氧气和氩气混合物等。加热时间为1小时以上，且随薄膜厚度增加而线性增加。在加热结束后，系统冷却至室温。之后，基体材料可以通过与酸液反应而移除。金属基体（钼或钨）：稀盐酸或者稀硫酸；基体为硅、石英或碳化钨时：HF和硝酸混合液。
在根据本发明的多孔金刚石或多孔立方碳化硅制备方法中，获得的多孔金刚石和多孔碳化硅自支撑膜的孔径和孔隙率可以通过改变金刚石/碳化硅在复合膜中的比例和分布来控制。
实施例
将2英寸的硅片在含金刚石的溶液中浸泡30分钟获得较高的金刚石形核率。将硅片洗净后放入微波等离子体气相沉积设备中。抽真空使得腔内气压小于1×10-2Torr，通入氢气至25Torr，同时加热基体至 700℃。随后激发微波等离子体并将微波功率固定至700W，通入甲烷和四甲基硅烷进行复合膜的沉积。图2（a）和（b）示出两个具有不同金刚石/立方碳化硅比例的复合膜。图2（a）示出的复合膜具有较高的金刚石含量，沉积此样品所用的有机硅烷和甲烷的浓度比为20‰；图2（b）示出的复合膜具有较高的立方碳化硅含量，沉积此样品所用的有机硅烷和甲烷的浓度比为60‰。
将所获得的复合膜在氢氟酸和硝酸的混合溶液中于70℃下腐蚀40小时，获得多孔金刚石薄膜，如图3（a）和（b）所示。图3（a）和（b）分别对应图2（a）和（b）中的复合膜经过腐蚀后所得到的多孔金刚石膜。图3（a）示出的多孔金刚石薄膜具有较小的孔径（约100纳米）和较小的孔隙率（约30％）；图3（b）示出的多孔金刚石薄膜具有较大的孔径（约1微米）和较大的孔隙率（约60％）。从而证明通过控制金刚石和立方碳化硅在复合膜中的比例和分布可以控制最终多孔金刚石的孔径和孔隙率。图4示出复合膜刻蚀前后的拉曼曲线，可以看出，代表金刚石相的1332cm-1拉曼峰没有明显变化，说明金刚石在腐蚀过程中没有发生改变。
将所获得的复合膜在空气中于500℃下加热2小时，获得立方碳化硅薄膜，如图5（a）和（b）所示。图5（a）示出的多孔立方碳化硅薄膜具有较小的孔径（约100纳米）和较小的孔隙率（约10％）；图5（b）示出的多孔立方碳化硅薄膜具有较大的孔径（约1微米）和较大的孔隙率（约35％）。从而也证明通过控制金刚石和立方碳化硅在复合膜中的比例和分布可以控制最终多孔立方碳化硅的孔径和孔隙率。
上述实施例为本发明在硅基体表面较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜的制备方法，其特征在于：
(1)提供基体材料，并对该基体表面进行预处理，在基体表面获得高于109cm-2的金刚石形核率；
(2)将预处理过的基体放入微波等离子体化学气相沉积设备或者热丝化学气相沉积设备的反应腔体中，在500-1000℃的温度下，充入反应性气体进行化学气相沉积，在基体表面生长金刚石/立方碳化硅复合膜；所述反应性气体为烃类、有机硅烷和氢气，其中：所述反应性气体流量100sccm-1000sccm，有机硅烷与烃类的浓度比为6‰-75‰，烃类体积浓度为0.5％-2％；所述化学气相沉积温度为600-900℃，沉积速率为0.5微米/小时；在微波等离子体设备中，微波功率为500瓦-3500瓦，气压为5Torr-100Torr；在热丝化学气相沉积设备中，灯丝温度为1800K-2200K，气压为5Torr-30Torr；
(3)在70℃以上的温度，将步骤(2)获得的金刚石/立方碳化硅复合膜在氢氟酸和硝酸的混合腐蚀液中腐蚀，除去其中的碳化硅相，得到多孔金刚石自支撑膜；或者在500℃以上的温度，将金刚石/立方碳化硅复合膜于含氧气氛中加热，除去其中的金刚石相，得到多孔立方碳化硅自支撑膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基体材料的表面粗糙度Rz低于5纳米，所述基体材料为硅、钼、石英、钨或碳化钨。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述预处理是将基体在含金刚石颗粒的研磨剂中研磨至少十分钟；或者，将基体在含金刚石颗粒的溶液中进行超声处理至少十分钟；或者将基体在含金刚石的溶液中浸泡至少十分钟。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述金刚石/立方碳化硅复合膜中，金刚石和立方碳化硅的含量比通过有机硅烷与烃类的浓度比进行调控；所述金刚石/立方碳化硅复合膜的厚度通过化学气相沉积时间来控制；步骤(3)中获得的多孔立方碳化硅和多孔金刚石的孔径大小和孔隙率通过调节金刚石和立方碳化硅在复合膜中的分布和体积来实现。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述氢氟酸和硝酸的混合腐蚀液中，氢氟酸和硝酸体积比为1：3–6：1；腐蚀温度为70℃以上，腐蚀时间1小时以上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，制备多孔立方碳化硅自支撑膜的过程中，所述含氧气氛为空气、纯氧气或者含氧气氛为氧气和氩气混合气体，加热温度为500℃以上，加热时间1小时以上。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，将金刚石/立方碳化硅复合膜于含氧气氛中加热，除去其中的金刚石相后，通过与酸液反应移除基体材料，得到自支撑多孔立方碳化硅膜；其中：基体材料为硅、钼、石英、钨或碳化钨；当基体为钼或钨时：稀盐酸或者稀硫酸；当基体为硅、石英或碳化钨：HF和硝酸混合液。
8.根据权利要求1所述方法制备的多孔金刚石或多孔立方碳化硅自支撑膜，其特征在于：所述多孔金刚石自支撑膜和多孔立方碳化硅自支撑膜的孔径大小为1微米以下，并且均匀分布；自支撑膜的厚度能达到5微米以上。
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