CN110760815A - 一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法 - Google Patents

一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，包括以下步骤：（1）在衬底上镀一层催化剂薄膜；（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为3‑6：0.8‑2：0.5‑1；沉积时间为0.5‑1h；（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为700‑800℃，最终得到厚度为3‑6μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。本发明一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，通过在衬底上镀上一程催化剂薄膜，以及碳源由三种原料组成，将沉积时间缩短为0.5‑1h，便能得到厚度为3‑6μm的多孔掺杂类金刚石薄膜，大大提高了沉积速率，有利于工业应用。

Description

一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法
技术领域
本发明属于金刚石薄膜制备技术领域，具体涉及一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法。
背景技术
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。
但是，目前现有技术的化学气象沉积法制备金刚石薄膜，通常沉积速率很慢，反应时间长，不利于工业运用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，包括以下步骤：（1）在衬底上镀一层催化剂薄膜；（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为3-6：0.8-2：0.5-1；沉积时间为0.5-1h；（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为700-800℃，最终得到厚度为3-6μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。
优选的，氢气的流量为300-500sccm，掺杂气体的流量为20-50sccm，碳源流量为20-30sccm。
优选的，步骤（2）中进行沉积时，衬底表面的温度为700-800℃，沉积气压为4-6kPa。
优选的，碳源中的三种气体预先混合均匀。
优选的，所述催化剂薄膜的厚度为200-500nm。
优选的，所述催化剂的制备方法为：将硫酸亚锡分散在蒸馏水中，在搅拌情况下将过氧化氢水溶液缓慢滴入上述混合液中，将得到的混合物转移到聚四氟乙烯不锈钢高压釜内，在180-200℃下进行水热反应12-14h，冷却后离心分离，将所得固体分散在Ni(Ac)2水溶液中，将所得混合液进行离心分离，所得固体物在450-550℃煅烧1-2h后，冷却即可。
优选的，在制备催化剂的过程中，采用超声分散。
优选的，所述过氧化氢水溶液中过氧化氢的浓度为30%。
优选的，在制备催化剂的过程中，水热反应完成后，离心分离所得固体用蒸馏水清洗。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，通过在衬底上镀上一层催化剂薄膜，以及碳源由三种原料组成，将沉积时间缩短为0.5-1h，便能得到厚度为3-6μm的多孔掺杂类金刚石薄膜，大大提高了沉积速率，有利于工业应用；
（2）本发明中制备的催化剂，催化-CH3形成金刚石相反应，进一步提高了沉积速率，且最终得到的多孔金刚石薄膜上呈现出均匀的细孔，提高了多孔金刚石薄膜的孔隙的均一性。
具体实施方式
一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，包括以下步骤：（1）在衬底上镀一层催化剂薄膜；（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为3-6：0.8-2：0.5-1；沉积时间为0.5-1h；（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为700-800℃，最终得到厚度为3-6μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。本发明在衬底上镀上一层催化剂薄膜，且本发明中碳源为三种气体的组合物，分别为甲烷、二甲醚和乙醇，在金刚石薄膜生长过程中，甲烷生成-CH3和H，二甲醚生成-CH3和O，乙醇生成-CH3、-CH2和OH，其中大部分-CH3形成金刚石相，小部分-CH3形成非金刚石相，-CH2形成非金刚石相，而H和O在一定程度上刻蚀衬底上的非金刚石相，但并不能完全刻蚀，因而为后续采用煅烧的方式生成多孔提供了基础。本申请的碳源由甲烷、二甲醚和乙醇组成，大大提高了沉积速率，本申请的沉积时间只需要0.5-1h便能得到厚度为3-6μm的金刚石薄膜，并且最终形成的金刚石薄膜连续成膜。另外，所述掺杂气体可为现有技术中的掺杂气体如B2H6，H2S，PH3，NH3等。
优选的，氢气的流量为300-500sccm，掺杂气体的流量为20-50sccm，碳源流量为20-30sccm。
优选的，步骤（2）中进行沉积时，衬底表面的温度为700-800℃，沉积气压为4-6kPa。
优选的，碳源中的三种气体预先混合均匀。预先将甲烷、二甲醚和乙醇混合均匀，使其以均一的混合气体进入反应体系，提高了反应的稳定性。
优选的，所述催化剂薄膜的厚度为200-500nm。本申请制备的催化剂的粒径在100-200之间nm，因此催化剂薄膜的厚度不可能过低，而本申请中催化剂薄膜的厚度为200-500nm，既能保证催化效果，又能避免催化剂过多。
优选的，所述催化剂的制备方法为：将硫酸亚锡分散在蒸馏水中，在搅拌情况下将过氧化氢水溶液缓慢滴入上述混合液中，将得到的混合物转移到聚四氟乙烯不锈钢高压釜内，在180-200℃下进行水热反应12-14h，冷却后离心分离，将所得固体分散在Ni(Ac)2水溶液中，将所得混合液进行离心分离，所得固体物在450-550℃煅烧1-2h后，冷却即可。采用该方法制备的催化剂催化-CH3形成金刚石相反应，进一步提高了沉积速率，且最终得到的多孔金刚石薄膜上呈现出均匀的细孔，提高了多孔金刚石薄膜的孔隙的均一性。
优选的，在制备催化剂的过程中，采用超声分散。超声分散快速均匀。
优选的，所述过氧化氢水溶液中过氧化氢的浓度为30%。
优选的，在制备催化剂的过程中，水热反应完成后，离心分离所得固体用蒸馏水清洗。蒸馏水洗掉滤饼上的水溶性杂质，提高产品的纯度。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
催化剂的制备：采用超声分散将1.2g硫酸亚锡分散在50mL蒸馏水中，形成悬浊液；室温下，将15mL30%的过氧化氢缓慢滴入上述悬浊液中，同时剧烈搅拌；几分钟后，将得到的混合物转移到聚四氟乙烯不锈钢高压釜内，将反应釜放入，在180℃保持12小时，然后自然冷却到室温；将产物离心分，所得固体用蒸馏水清洗数次，将清洗后的固体物取50mg溶于10mL0.1M Ni(Ac)2水溶液中，超声分散1h，再进行离心分离，将得到的固体真空干燥后，放在马弗炉中450℃煅烧1小时，最后冷却即可。
实施例2
一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，包括以下步骤：
（1）实施例1所得催化剂，采用常规的镀层的方式，将其镀在清洁的衬底上形成催化剂薄膜，所述催化剂薄膜的厚度控制在200-500nm范围之间；
（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为3：0.8：0.5，且甲烷、二甲醚和乙醇分别通入；且氢气的流量为300sccm，掺杂气体的流量为20 sccm，碳源流量为20 sccm；衬底表面的温度为700℃，沉积气压为4kPa，沉积时间为1h；
（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为700℃，最终得到厚度为4.9μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。
实施例3
（1）实施例1所得催化剂，采用常规的镀层的方式，将其镀在清洁的衬底上形成催化剂薄膜，所述催化剂薄膜的厚度控制在200-500nm范围之间；
（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为5：1：0.8，且甲烷、二甲醚和乙醇分别通入；且氢气的流量为400sccm，掺杂气体的流量为30 sccm，碳源流量为25 sccm；衬底表面的温度为750℃，沉积气压为5kPa，沉积时间为0.7h；
（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为750℃，最终得到厚度为3μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。
实施例4
（1）实施例1所得催化剂，采用常规的镀层的方式，将其镀在清洁的衬底上形成催化剂薄膜，所述催化剂薄膜的厚度控制在200-500nm范围之间；
（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为6：2：1，甲烷、二甲醚和乙醇预先混合均匀后通入；且氢气的流量为500sccm，掺杂气体的流量为50 sccm，碳源流量为30 sccm；衬底表面的温度为800℃，沉积气压为6kPa，沉积时间为0.9h；
（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为750℃，最终得到厚度为4.9μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。
实施例5
（1）实施例1所得催化剂，采用常规的镀层的方式，将其镀在清洁的衬底上形成催化剂薄膜，所述催化剂薄膜的厚度控制在200-500nm范围之间；
（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为4：2：1，甲烷、二甲醚和乙醇预先混合均匀后通入；且氢气的流量为500sccm，掺杂气体的流量为50 sccm，碳源流量为30 sccm；衬底表面的温度为800℃，沉积气压为6kPa，沉积时间为0.5h；
（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为750℃，最终得到厚度为3.1μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。
对比实施例1-5实施过程和所得金刚石薄膜的厚度，增大乙醇和二甲醚比例，有助于沉积速率增大，且在碳源组合由甲烷、二甲醚和乙醇共同作用，沉积速率相比于现有技术，大大提高。
以上揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作地等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）在衬底上镀一层催化剂薄膜；（2）在镀有催化剂薄膜的衬底表面沉积掺硼金刚石薄膜，在沉积过程中，通入气体包括碳源、氢气和掺杂气体，所述碳源为甲烷、二甲醚和乙醇，其中乙醇为气态，甲烷、二甲醚和乙醇的体积比为3-6：0.8-2：0.5-1；沉积时间为0.5-1h；（3）将所得掺硼金刚石薄膜在空气氛围中进行煅烧，煅烧温度为700-800℃，最终得到厚度为3-6μm的多孔掺杂类金刚石薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，氢气的流量为300-500sccm，掺杂气体的流量为20-50sccm，碳源流量为20-30sccm。
3.根据权利要求1所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，步骤（2）中进行沉积时，衬底表面的温度为700-800℃，沉积气压为4-6kPa。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，碳源中的三种气体预先混合均匀。
5.根据权利要求1所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，所述催化剂薄膜的厚度为200-500nm。
6.根据权利要求1或5所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，所述催化剂的制备方法为：将硫酸亚锡分散在蒸馏水中，在搅拌情况下将过氧化氢水溶液缓慢滴入上述混合液中，将得到的混合物转移到聚四氟乙烯不锈钢高压釜内，在180-200℃下进行水热反应12-14h，冷却后离心分离，将所得固体分散在Ni(Ac)2水溶液中，将所得混合液进行离心分离，所得固体物在450-550℃煅烧1-2h后，冷却即可。
7.根据权利要求6所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，在制备催化剂的过程中，采用超声分散。
8.根据权利要求6所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，所述过氧化氢水溶液中过氧化氢的浓度为30%。
9.根据权利要求6所述的一种多孔掺杂类金刚石薄膜制备方法，其特征在于，在制备催化剂的过程中，水热反应完成后，离心分离所得固体用蒸馏水清洗。
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