CN104498894B - 一种多孔金刚石薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔金刚石薄膜的制备方法，将硅衬底放置于微波等离子体化学气相沉积装置中，所述硅衬底表面镀有一层金属Pt薄膜作为催化剂；将真空度控制在10‑30毫巴，通入工作气体载入碳源至微波等离子发生区域，加热至750‑850℃；沉积得到块体的金刚石薄膜；将薄膜在500‑600℃空气氛围中煅烧，得到多孔金刚石薄膜。该方法不需要模板，也无需复杂的预处理工艺和高温过程，能够避免金属污染，使处理工序更加简化。

Description

一种多孔金刚石薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石薄膜的制备方法，尤其涉及一种多孔金刚石薄膜的制备方法。
背景技术
随着人口的迅速增加和经济的高速发展，环境保护的重要性已经为公众所认知。我国是一个水资源并不丰富的国家，我国江河湖泊、水库和地下水普遍受到不同程度的污染。目前的污水处理技术主要有物理处理法、化学处理法和生物处理法，这些方法有着各自的优越性，同时也存在着一些不足之处。比较而言，电化学法具有多功能性，高能效、低成本、易于工业自动化等特点，正成为国内外学术研究的热点。电化学法是直接或间接利用电解作用，将污染物分子分解。由于电解池元件经常与恶劣介质接触，因此需要电极材料具有最宽的电化学窗口和在恶劣环境中有长时间的稳定性。金刚石是一种特殊的物质材料，每个碳原子的四个价电子以SP3杂化轨道与周围最近邻的四个原子成键，具有很高的硬度和非常稳定的化学性质。金刚石的半导体特性也十分突出，其晶体结构类型与硅相同，因而可以通过掺杂用作半导体材料。将金刚石沉积到一定的基体材料上，最常见的方法是化学气相沉积法(CVD)，包括热丝化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)、燃烧火焰法、直流等离子体喷射法等。
S.A.Skoog等曾公开过一种利用多孔氧化铝为模板，并沉积金属钨薄层为衬底，采用MPCVD方法沉积超细纳米晶金刚石膜从而得到多孔金刚石薄膜的方法(JOM,2012.64,(4),520-525)。该方法在制备工艺中需要首先在多孔氧化铝表面表面镀一层钨膜作为催化剂，由于原子层外延镀钨膜的程序工艺复杂，而且氧化铝衬底在微波等离子体系中容易受到H等离子的刻蚀而被破坏，并不能保证薄膜的完整性。
D A Kurdyukov等曾公开过以多孔二氧化硅胶体为模板分散纳米晶金刚石，然后采用微波激发的Ar等离子晶型表面刻蚀，最后再采用HF洗去二氧化硅胶体，最终得到多孔的金刚石薄膜(Nanotechnology,2012,23,015601)。但是，该制备工艺中首先需要将纳米金刚石分散到二氧化硅的胶体中，纳米金刚石粒子的分散不均会导致多孔膜的均一性差，易断裂。后期的酸处理二氧化硅的过程中容易导致金刚石一并被清洗，并引起纳米金刚石的表面结构及性质的改变。
Q.Wei等开发了在烧结的碳化硅WC-13wt.％Co衬底上采用热丝CVD(Hot FilamentChemical Vapor Deposition)法沉积金刚石薄膜的技术，生长温度达2200℃(StatusSolidi A2011,208,(9),2033–2037)。但该工艺采用高温裂解的过冲需要消耗大量的能源，切生长速度较慢，对生长设备的要求极高，生长成本较高，多孔结构不明显。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种多孔金刚石薄膜的制备方法，该方法不需要模板，也无需复杂的预处理工艺和高温过程，能够避免金属污染，使处理工序更加简化。
本发明的技术方案如下：将硅衬底放置于微波等离子体化学气相沉积装置中，该硅衬底表面镀有一层金属Pt薄膜作为催化剂；将真空度控制在10-30毫巴，通入工作气体载入碳源至微波等离子发生区域，加热至750-850℃；沉积得到块体的金刚石薄膜；将薄膜在500-600℃空气氛围中煅烧，得到多孔的金刚石薄膜。
作为优选，本发明的碳源为同时含有SP3和SP2碳原子的有机化合物；更优选甲酸甲酯。
作为优选，工作气体选自氢气，氩气或氦气中的一种或多种。
作为可替代方案，工作气体除载入碳源甲酸甲酯外，还可以载入一种或多种掺杂气体，包括但不限于其他碳源，如甲烷，甲醇，乙醇等；其他原子掺杂气体如B2H6，H2S，PH3，NH3等。
本发明的技术方案可进一步描述为：将硅衬底放置于微波等离子体化学气相沉积装置中，该硅衬底表面镀有一层金属Pt薄膜作为催化剂；将真空度控制在10-30毫巴，通入H2并加热至750-850℃，以Ar为载气将碳源甲酸甲酯带入微波等离子发生区域；沉积得到块体的金刚石薄膜；将薄膜在500-600℃空气氛围中煅烧，得到多孔的金刚石薄膜。
上述技术方案中，Pt薄膜的的厚度优选3-5nm；镀膜方式可采用例如溅射镀膜(sputter-coating，沉积电流20mA，0.5-1分钟)等常规方法。
上述任意技术方案中，H2的流速为95-99sccm，Ar的流速为5-1sccm；甲酸甲酯由Ar载入，其用量直接受限于Ar气的流速比例。
上述任意技术方案中，金刚石薄膜的沉积生长时间为3-10小时。
上述任意技术方案中，煅烧时间为30-60分钟。
根据金刚石晶体生长原理，传统生长纯度高的金刚石薄膜或块体，需要在碳的化合物中要尽可能多的包含SP3结合形式的碳(如甲烷)，而本发明在设计实验的过程中选用甲酸甲酯(HC(O)OCH3)作为碳源，适当引入SP2形式的碳，在生成的最终产物中总是包含有SP2形式结合的碳原子并以非晶态形式存在，去除这些非晶态的碳便可得到多孔金刚石薄膜。
本发明的有益效果在于：本发明通过把硅衬底放置在微波等离子体反应的区域，并控制加热温度，使金刚石薄膜保持颗粒形状；把含有SP2形式的化合物甲酸甲酯引入到反应体系中，适当增加金刚石薄膜中非晶态碳的含量，并采用选择性氧化技术去除非晶碳从而实现制备多孔金刚石薄膜的目的，此种方法可直接利用在硅基底上制备多孔金刚石薄膜，从而得到大比表面积的金刚石电极，该多孔结构大大提高了金刚石薄膜的亲水性，接触角约为8.5°。为实现真正意义上的金刚石多孔电极提供了一个简洁的方法。
附图说明
附图1为氧化处理前金刚石薄膜扫描电镜的高倍图像
附图2为氧化处理后金刚石薄膜扫描电镜的高倍图像
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
利用微波等离子化学气相沉积方法，首先在石英管式真空炉中间放置硅衬底，该硅衬底表面镀有5nm的Pt薄膜作为催化剂，用机械泵将真空管式炉的真空度抽至10毫巴，通入H2并加热到800℃，然后打开Ar载入甲酸甲酯至微波等离子发生区域，H2的流速为95sccm，Ar的流速为5sccm，打开微波电源开始沉积，生长时间为5小时，在硅衬底的表面得到块体金刚石薄膜，空冷后通入空气(50-70sccm)进行加热，升温速度为20-30℃/min，将块体金刚石薄膜在500℃空气氛围中煅烧60分钟可得到多孔的金刚石薄膜。
实施例2
利用微波等离子化学气相沉积方法，首先在石英管式真空炉中间放置硅衬底，该硅衬底表面镀有3nm的Pt薄膜作为催化剂，用机械泵将真空管式炉的真空度抽至30毫巴，通入H2并加热到850℃，然后打开Ar载入甲酸甲酯至微波等离子发生区域，H2的流速为99sccm，Ar的流速为1sccm，打开微波电源开始沉积，生长时间为8小时，在硅衬底的表面得到块体金刚石薄膜，空冷后通入空气(50-70sccm)进行加热，升温速度为20-30℃/min，将块体金刚石薄膜在600℃空气氛围中煅烧30分钟可得到多孔的金刚石薄膜。
实施例3
利用微波等离子化学气相沉积方法，首先在石英管式真空炉中间放置硅衬底，该硅衬底表面镀有3nm的Pt薄膜作为催化剂，用机械泵将真空管式炉的真空度抽至30毫巴，通入H2并加热到850℃，然后打开Ar载入甲酸甲酯和B2H6至微波等离子发生区域，H2的流速为99sccm，Ar的流速为1sccm，打开微波电源开始沉积，生长时间为8小时，在硅衬底的表面得到块体金刚石薄膜，空冷后通入空气(50-70sccm)进行加热，升温速度为20-30℃/min，将块体金刚石薄膜在600℃空气氛围中煅烧30分钟可得到多孔的金刚石薄膜。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将硅衬底放置于微波等离子体化学气相沉积装置中，所述硅衬底表面镀有一层金属Pt薄膜作为催化剂；将真空度控制在10-30毫巴，通入工作气体载入碳源至微波等离子发生区域，加热至750-850℃；沉积得到块体的金刚石薄膜；将薄膜在500-600℃空气氛围中煅烧，得到多孔金刚石薄膜；所述碳源为同时含有SP3和SP2碳原子的有机化合物。
2.如权利要求1所述多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述碳源为甲酸甲酯。
3.如权利要求1-2中任一权利要求所述多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述工作气体选自氢气，氩气或氦气中的一种或多种。
4.如权利要求2所述多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，工作气体除载入碳源甲酸甲酯外，还载入一种或多种掺杂气体。
5.一种多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将硅衬底放置于微波等离子体化学气相沉积装置中，该硅衬底表面镀有一层金属Pt薄膜作为催化剂；将真空度控制在10-30毫巴，通入H2并加热至750-850℃，以Ar为载气将碳源甲酸甲酯带入微波等离子发生区域；沉积得到块体的金刚石薄膜；将薄膜在500-600℃空气氛围中煅烧，得到多孔的金刚石薄膜。
6.如权利要求5所述多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述Pt薄膜的厚度为3-5nm。
7.如权利要求5或6所述多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述H2的流速为95-99sccm，Ar的流速为5-1sccm。
8.如权利要求7所述多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述金刚石薄膜的沉积生长时间为3-10小时。
9.如权利要求8所述多孔金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，煅烧时间为30-60分钟。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106637143A (zh) * 2016-09-23 2017-05-10 常州大学 一种mpcvd金刚石薄膜的制备方法
CN109811328B (zh) * 2017-11-21 2021-04-09 深圳先进技术研究院 一种掺硼金刚石薄膜的制备方法
CN110596212B (zh) * 2019-10-23 2022-08-02 吉林大学 一种用于检测盐酸克伦特罗的复合结构传感器的制备方法
CN110724930B (zh) * 2019-11-06 2021-11-09 杭州超然金刚石有限公司 一种金刚石薄膜的制备方法
CN110760815B (zh) * 2019-11-22 2021-11-19 惠州市三航无人机技术研究院 一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法
CN113088921B (zh) * 2021-04-13 2023-03-24 昆明理工大学 一种多孔金刚石膜/三维碳纳米线网络复合材料的制备方法及其产品
CN114941128B (zh) * 2022-06-02 2024-02-02 中北大学 基于纳米类金刚石薄膜的直立石墨烯复合物制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3728465B2 (ja) * 1994-11-25 2005-12-21 株式会社神戸製鋼所 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法
JP4082769B2 (ja) * 1998-01-16 2008-04-30 株式会社神戸製鋼所 ダイヤモンド膜の形成方法
JP4746629B2 (ja) * 2005-11-24 2011-08-10 住友電工ハードメタル株式会社 ダイヤモンド電極および電解槽
CN102965666B (zh) * 2012-11-27 2014-10-01 郑州大学 一种柔性衬底纳米金刚石薄膜及其制备方法
CN103741116B (zh) * 2014-01-27 2017-01-04 吉林大学 金刚石网及其分离油水混合物和转移液滴的应用

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