CN113818004A - 一种用于金刚石的生长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金刚石生产技术领域，尤其涉及一种用于金刚石的生长装置，包括十字形管件，所述十字形管件的外侧设置有加热套管，且十字形管件的内部设置有金刚石沉积衬底，还包括：混气机构，所述混气机构和十字形管件之间通过细管相连通；以及放电机构，所述放电机构用于加热混气机构导出的气流。本发明有效实现可在大气压条件下进行金刚石的快速生长，气流速度越快生长速度越高，使用效果更佳。

Description

一种用于金刚石的生长装置及方法

技术领域

本发明涉及金刚石生产技术领域，尤其涉及一种用于金刚石的生长装置及方法。

背景技术

金刚石气相沉积生长常用的有热灯丝，直流电弧和微波等离子体生长方法，在真空低气压下，氢气和少量气态碳氢或碳氢氧化合物在高温下分解，得到碳活性粒子和原子氢。在合适的条件下会得到金刚石，生长速度每小时几微米或几十微米。金刚石的生长速度与碳活性粒子浓度成正比，而高的碳活性粒子浓度只有在高的原子氢浓度时才生成金刚石，否则生成石墨。原子氢浓度随热源温度呈指数增长。高的热源温度需要大的能量密度，现在最高的是微波等离子体方法，能量密度约是10KW/cm3。大的能量密度不仅能提高生长速度，而且能在更高的气压下进行金刚石生长，

目前，有采用接近大气压下用微波法进行金刚石生长，但还不能脱离真空设备，真空的使用会大大增加设备投资负担和使工艺变得繁琐复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种用于金刚石的生长装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于金刚石的生长装置，包括十字形管件，所述十字形管件的外侧设置有加热套管，且十字形管件的内部设置有金刚石沉积衬底，还包括：

混气机构，所述混气机构和十字形管件之间通过细管相连通；以及

放电机构，所述放电机构用于加热混气机构导出的气流。

作为本发明实施例再进一步的方案：所述混气机构包括第一导气管、第二导气管和混气瓶，所述第一导气管上设置有第一微调阀，且第一导气管的端部连通有储气瓶，所述储气瓶和混气瓶之间通过连通管相连通，所述第二导气管上设置有第二微调阀，且第二导气管的端部和混气瓶之间相连通，所述细管的一端和混气瓶相连通，且细管的另一端贯穿设置于十字形管件中。

作为本发明实施例再进一步的方案：所述放电机构包括：

电源单元，为电极单元提供合适的电压、电阻、电容、电感；

电极单元，振动电极产生电弧在大气压下点燃辉光放电，得到均匀稳定的辉光放电或电弧辉光混合放电；

电极控制单元，控制电极单元工作或者休息；

控制单元，通过控制电极控制单元控制电极单元，实现对电弧周围温度的调控；

电源单元的输出端连接电极单元的第一输入端；

电极控制单元的输出端连接电极单元的第二输入端；

控制单元的输出端连接电极控制单元的输入端。

作为本发明实施例再进一步的方案：所述电源单元包括第一直流电源、第一电感、第一电容、第一限流电阻，第一直流电源的正极连接第一限流电阻，第一限流电阻的另一端连接第一电容、第一电感，第一电容的另一端连接第一直流电源的负极，第一电感的另一端连接电极单元的第一输入端。

作为本发明实施例再进一步的方案：所述电极单元包括第一圆棒形电极、第二圆棒形电极，电源单元的输出端连接第二圆棒形电极的一端，第一圆棒形电极的一端连接第一直流电源的负极，第一圆棒形电机和第二圆棒形电极均贯穿设置于十字形管件中，且第二圆棒形电极和第一圆棒形电极中间存在空隙，细管的端部与空隙保持持平。

作为本发明实施例再进一步的方案：所述电极控制单元包括第一衔铁、第一电磁铁、第二电磁铁、第一精密升降台，第一衔铁的一端连接电极单元的第二输入端，第一衔铁的一侧有第一电磁铁，第一衔铁远离第一电磁铁的一侧有第二电磁铁，第一电磁铁的底部为第一精密升降台。

作为本发明实施例再进一步的方案：所述控制单元由AVR单片机、ATMEGA16、三极管开关电路共同构成。

一种采用一种用于金刚石的生长装置进行金刚石加工的方法，包括以下步骤：

步骤1：采用两路气路，一路通氢气和气态碳氢或碳氢氧化合物混合气体，一路通氢气，使两路气路在混气机构中混合，并将混合气体通过细管导入十字形管件；

步骤2：通过放电机构对细管喷出的气流进行放电处理，将气流加热；

步骤3：被加热的气流通向加热套管相对应的十字形管件中，使得金刚石在位于十字形管件中的金刚石沉积衬底上进行生长。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种用于金刚石的生长装置，可以将一路为通氢气和气态碳氢或碳氢氧化合物混合气体，以及一路通氢气的两路气路在混气机构中混合，并通过细管导入十字形管件中，然后通过放电机构对气体进行加热，同时，通过加热套管对十字形管件中的金刚石沉积衬底进行加热，当气体作用于金刚石沉积衬底上时，便会生长金刚石，有效实现可在大气压条件下进行金刚石的快速生长，气流速度越快生长速度越高，使用效果更佳。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于金刚石的生长装置的放电机构原理图；

图2为本发明实施例提供的一种用于金刚石的生长装置的原理图。

图中：1-第一圆棒形电极、2-第二圆棒形电极、3-第一衔铁、4-第一电磁铁、5-第二电磁铁、6-控制单元、7-第一精密升降台、8-第一电感、9-第一限流电阻、10-第一电容、11-第一直流电源、12-第一导气管、13-第一微调阀、14-第二导气管、15-第二微调阀、16-储气瓶、17-连通管、18-混气瓶、19-细管、20-十字形管件、21-加热套管、22-金刚石沉积衬底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1和图2所示，为本发明的一个实施例提供的一种用于金刚石的生长装置，包括十字形管件20，十字形管件20的外侧设置有加热套管21，且十字形管件20的内部设置有金刚石沉积衬底22，还包括：

混气机构，混气机构和十字形管件20之间通过细管19相连通，细管19的具体材质不加以限制，本实施例中，优选的，细管19采用陶瓷制成；以及

放电机构，放电机构用于加热混气机构导出的气流。

可以将一路为通氢气和气态碳氢或碳氢氧化合物混合气体，以及一路通氢气的两路气路在混气机构中混合，并通过细管19导入十字形管件20中，然后通过放电机构对气体进行加热，同时，加热套管21还可以对十字形管件20中的金刚石沉积衬底22进行加热，当气体作用于金刚石沉积衬底22上时，便会生长金刚石，有效实现可在大气压条件下进行金刚石的快速生长，气流速度越快生长速度越高，使用效果更佳。

作为本发明的一种实施例，请参阅图2，混气机构包括第一导气管12、第二导气管14和混气瓶18，第一导气管12上设置有第一微调阀13，且第一导气管12的端部连通有储气瓶16，储气瓶16中存储的气体为气态碳氢或碳氢氧化合物混合气体即可，本实施例中，优选的，存储的气体采用乙醇，储气瓶16和混气瓶18之间通过连通管17相连通，第二导气管14上设置有第二微调阀15，且第二导气管14的端部和混气瓶18之间相连通，细管19的一端和混气瓶18相连通，且细管19的另一端贯穿设置于十字形管件20中，通过第一微调阀13和第二微调阀15可以对第一导气管12以及第二导气管14中的气体流速进行控制，进而达到调节混合气体中的浓度目的，使用十分方便。

作为本发明的一种实施例，请参阅图1，放电机构包括：

电源单元，为电极单元提供合适的电压、电阻、电容、电感；

电极单元，振动电极产生电弧在大气压下点燃辉光放电，得到均匀稳定的辉光放电或电弧辉光混合放电；

电极控制单元6，控制电极单元工作或者休息；

控制单元6，通过控制电极控制单元6控制电极单元，实现对电弧周围温度的调控；

电源单元的输出端连接电极单元的第一输入端；

电极控制单元6的输出端连接电极单元的第二输入端；

控制单元6的输出端连接电极控制单元6的输入端。

作为本发明的一种实施例，请参阅图1，电源单元包括第一直流电源11、第一电感8、第一电容10、第一限流电阻9，第一直流电源11的正极连接第一限流电阻9，第一限流电阻9的另一端连接第一电容10、第一电感8，第一电容10的另一端连接第一直流电源11的负极，第一电感8的另一端连接电极单元的第一输入端。

作为本发明的一种实施例，请参阅图1，电极单元包括第一圆棒形电极1、第二圆棒形电极2，电源单元的输出端连接第二圆棒形电极2的一端，第一圆棒形电极1的一端连接第一直流电源11的负极，第一圆棒形电机和第二圆棒形电极2均贯穿设置于十字形管件20中，且第二圆棒形电极2和第一圆棒形电极1中间存在空隙，细管19的端部与空隙保持持平。

作为本发明的一种实施例，请参阅图1，电极控制单元6包括第一衔铁3、第一电磁铁4、第二电磁铁5、第一精密升降台7，第一衔铁3的一端连接电极单元的第二输入端，第一衔铁3的一侧有第一电磁铁4，第一衔铁3远离第一电磁铁4的一侧有第二电磁铁5，第一电磁铁4的底部为第一精密升降台7。

作为本发明的一种实施例，请参阅图1，控制单元6由AVR单片机、ATMEGA16、三极管开关电路共同构成。

利用上述一种用于金刚石的生长装置，本发明提供一种金刚石加工方法，具体如下：

步骤1：采用两路气路，一路通氢气和气态碳氢或碳氢氧化合物混合气体，一路通氢气，使两路气路在混气机构中混合，并将混合气体通过细管19导入十字形管件20；

步骤2：通过放电机构对细管19喷出的气流进行放电处理，将气流加热；

步骤3：被加热的气流通向加热套管21相对应的十字形管件20中，使得金刚石在位于十字形管件20中的金刚石沉积衬底22上进行生长。

本发明的工作原理是：向通过第一导气管12导入氢气，使得氢气进入装有乙醇的储气瓶16，混合后的气体再通过连通管17导入混气瓶18中，同时通过第二导气管14可以直接将氢气导入混气瓶18中，形成混合气体，通过第一微调阀13和第二微调阀15可以调控两路气路的流量速度比来调节混合气体中气态碳氢或碳氢氧化合物的浓度，混气瓶中的气体可以通过细管19导入十字形管件20中，此时，通过控制单元6控制电极控制单元6，使得电极控制单元6的第二电磁铁5得电工作，第一电磁铁4不工作，第一衔铁3和第一电磁铁4不吸合，带动第一圆棒形电极1和第二圆棒形电极2在第一精密升降台7作用下不接触，第二圆棒形电极2离开第一圆棒形电极1，产生尖细明亮的电弧放电；由于电极间距是从零开始一点点变化，可以实现百分百的放电。

通过控制单元6控制电极控制单元6，使得电极控制单元6的第二电磁铁5不工作，第一电磁铁4得电工作，第二圆棒形电极2回落，与第一圆棒形电极1接触后，电弧熄灭，通过电极振动频率，第一直流电源11，第一限流电阻9，第一电容10和第一电感8的大小调控电弧放电的功率。

放电功率用下式估算：

P＝(U*(1-e-t/(R*C)))2*C/2000*f

U是第一直流电源11的电压，单位(V)。采用连续可调电压，取值范围0～1600V。

f是电极振动频率，单位(Hz)。取值范围0～250Hz。

t是放电时间，等于1000/(2f)，单位(ms)。

R是第一限流电阻9，单位(Ω)。取值原则R≥(U电)2/P电。U电为电源最大电压，P电为电源功率。

C是第一电容10，单位(mf)。

P是电弧放电功率，单位(W)。

电弧放电功率越高，电弧周围的温度越高，通过电阻，电容，电极振动频率的匹配和电压的调节，调控电弧周围气氛的温度。

在此条件下运行几分钟，会观察到电弧逐渐宽化，布满整个电极间隙。然后手动缓慢的调节第一精密升降台7，使第二圆棒形电极2一点点的与第一圆棒形电极1拉开。此时的放电是一个混合状态，包括不灭的电弧放电，和振动频率一致的电弧放电和辉光放电。随着时间增加，电极达到一定的温度后，会突然转化为稳定的辉光放电，电弧放电不再出现。然后依旧通过第一精密升降台7一边缓慢拉开电极，同时一边缓慢增加电压，使辉光达到需要的长度。然后关闭电极的振动，辉光会更稳定。此时电源施加的电压几乎都由电极两端承担。

大电感对辉光的稳定很重要，电感越大，辉光放电就越难转变到尖细明亮的电弧放电。

如果间距保持不变，增加电压，放电会变成一种电弧辉光的混合放电，现象与辉光放电相似，均匀放电充满两极间的空间，只是电源施加的电压几乎都由限流电阻承担，电流比辉光放电的电流大，产生的热量更高，可以得到更高的氛围温度。这种放电远比辉光放电稳定，一旦形成即使有很大的电源电压和电极间距变化也不会熄灭。限流电阻越小，放电电流越大，电极间距越大，极间电阻越大，放电功率越大。这种放电可以不经过辉光放电过程，直接从振动电极的电弧放电随着电极的缓慢拉开直接转变形成。得到均匀稳定的辉光放电或电弧辉光混合放电。

细管19喷出的气流会被第一圆棒形电极1和第二圆棒形电极2加热，同时，加热套管21还可以对十字形管件20中的金刚石沉积衬底22进行加热，当气体作用于金刚石沉积衬底22上时，便会生长金刚石，有效实现可在大气压条件下进行金刚石的快速生长。

需要特别说明的是，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种用于金刚石的生长装置，其特征在于，包括十字形管件，所述十字形管件的外侧设置有加热套管，且十字形管件的内部设置有金刚石沉积衬底，还包括：

混气机构，所述混气机构和十字形管件之间通过细管相连通；以及

放电机构，所述放电机构用于加热混气机构导出的气流。

2.根据权利要求1所述的一种用于金刚石的生长装置，其特征在于，所述混气机构包括第一导气管、第二导气管和混气瓶，所述第一导气管上设置有第一微调阀，且第一导气管的端部连通有储气瓶，所述储气瓶和混气瓶之间通过连通管相连通，所述第二导气管上设置有第二微调阀，且第二导气管的端部和混气瓶之间相连通，所述细管的一端和混气瓶相连通，且细管的另一端贯穿设置于十字形管件中。

3.根据权利要求2所述的一种用于金刚石的生长装置，其特征在于，所述放电机构包括：

电源单元，为电极单元提供合适的电压、电阻、电容、电感；

电极单元，振动电极产生电弧在大气压下点燃辉光放电，得到均匀稳定的辉光放电或电弧辉光混合放电；

电极控制单元，控制电极单元工作或者休息；

控制单元，通过控制电极控制单元控制电极单元，实现对电弧周围温度的调控；

电源单元的输出端连接电极单元的第一输入端；

电极控制单元的输出端连接电极单元的第二输入端；

控制单元的输出端连接电极控制单元的输入端。

4.根据权利要求3所述的一种用于金刚石的生长装置，其特征在于，所述电源单元包括第一直流电源、第一电感、第一电容、第一限流电阻，第一直流电源的正极连接第一限流电阻，第一限流电阻的另一端连接第一电容、第一电感，第一电容的另一端连接第一直流电源的负极，第一电感的另一端连接电极单元的第一输入端。

5.根据权利要求4所述的一种用于金刚石的生长装置，其特征在于，所述电极单元包括第一圆棒形电极、第二圆棒形电极，电源单元的输出端连接第二圆棒形电极的一端，第一圆棒形电极的一端连接第一直流电源的负极，第一圆棒形电机和第二圆棒形电极均贯穿设置于十字形管件中，且第二圆棒形电极和第一圆棒形电极中间存在空隙，细管的端部与空隙保持持平。

6.根据权利要求5所述的一种用于金刚石的生长装置，其特征在于，所述电极控制单元包括第一衔铁、第一电磁铁、第二电磁铁、第一精密升降台，第一衔铁的一端连接电极单元的第二输入端，第一衔铁的一侧有第一电磁铁，第一衔铁远离第一电磁铁的一侧有第二电磁铁，第一电磁铁的底部为第一精密升降台。

7.根据权利要求6所述的一种用于金刚石的生长装置，其特征在于，所述控制单元由AVR单片机、ATMEGA16、三极管开关电路共同构成。

8.一种采用权利要求1-7任一所述的一种用于金刚石的生长装置进行金刚石加工的方法，其特征在于：

步骤1：采用两路气路，一路通氢气和气态碳氢或碳氢氧化合物混合气体，一路通氢气，使两路气路在混气机构中混合，并将混合气体通过细管导入十字形管件；

步骤2：通过放电机构对细管喷出的气流进行放电处理，将气流加热；

步骤3：被加热的气流通向加热套管相对应的十字形管件中，使得金刚石在位于十字形管件中的金刚石沉积衬底上进行生长。

Images