氯化钠基片上制备纳米金刚石的一种方法技术

在氯化钠衬底上，在甲烷和氢气气氛下，使用等离子增强化学气相沉积技术，制备出纳米金刚石。反应过程中，甲烷气体和氢气的相应流量比为（10-15）：（75-85）区间，单位为标准状态毫升每分（sccm），温度在750-850℃区间。本发明专利技术在烃类气体作为碳源气体，与氢气合理配比，得到了结晶良好的纳米金刚石，无需对基片进行预处理，并且几乎不含其它碳基杂质，提供了一种非常简单的制备纳米金刚石的方法，并提出了新的生长机制。实验成品的透射电子显微镜照片见图1。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】在氯化钠衬底上，在甲烷和氢气气氛下，使用等离子增强化学气相沉积技术，制备出纳米金刚石。反应过程中，甲烷气体和氢气的相应流量比为（10-15）：（75-85）区间，单位为标准状态毫升每分（sccm），温度在750-850℃区间。本专利技术在烃类气体作为碳源气体，与氢气合理配比，得到了结晶良好的纳米金刚石，无需对基片进行预处理，并且几乎不含其它碳基杂质，提供了一种非常简单的制备纳米金刚石的方法，并提出了新的生长机制。实验成品的透射电子显微镜照片见图1。【专利说明】
本专利技术涉及一种制备纳米金刚石的方法，更具体的说，本专利技术以单晶氯化钠作为基底，在甲烷和氢气气氛下制备纳米金刚石的方法，制备出纳米金刚石的杂质含量少，方法简单可行，可控性强。
技术介绍
近年来，纳米金刚石薄膜材料因突出的物理及化学性能引起了人们的广泛关注，这些性能来源于碳的成键结构和微观结构。纳米金刚石则主要由SP3杂化的碳原子组成，具有高的硬度，高的化学稳定性，且表面氢化的纳米金刚石具有负电子亲和势。迄今为止，几乎没有人在氯化钠基片上制备纳米金刚石。在本专利中，我们在氯化钠基片上制备出了纳米金刚石，并提出了一种新的生长机制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，从以上背景出发，提出一种简单有效的制备纳米金刚石的方法，首先通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapordeposition, PECVD)作为手段，以甲烷和氢气作为反应气体，制备出高纯度的纳米金刚石。 可实现上述目的的本专利技术的制备方法的特征是:在等离子体增强化学气相沉积的方法下，以氯化钠基片为基底，通过甲烷气体、氢气以(10-15): (75-85)(单位为sccm)的配t匕，在750-850°C，制备出纳米金刚石； 本专利技术的基本技术方案的概括如下: 选用单晶氯化钠作为基片，使用烃类气体作为碳源气体，同时通入氢气作为反应气体，控制反应温度，从而制备出纳米金刚石材料。本专利技术的具体技术参数及最优选取方案介绍如下: 本专利技术中纳米金刚石的制备，选取氯化钠作为基片，优选等离子体增强化学气相沉积技术。该过程主要可以分为三个步骤: 1)将NaCl(100)单晶片放置于丙酮溶液中，超声清洗3min，用吹风机吹干，通入氢气升温至预定温度(反应温度)，待温度达到反应温度时，通入甲烷气体； 2)甲烷气体与氢气合理配比，即CH4//H2=20/80，单位为sccm。调整反应气压，设定射频功率及反应时间，使在反应原料充分离化、分解、转变成活性基团。氯化钠表面由于弛豫形成双电层，对正电荷有静电引力的作用，所以能够吸附带正电荷的碳氢基团，此基团作为纳米金刚石成核的前驱体，进而长大形成纳米金刚石。本专利技术中，在纳米金刚石的制备过程中，碳源气体优选甲烷，背底压强应小于IOPa,以保证纳米金刚石的高纯度。本专利技术中，在纳米金刚石的制备过程中，步骤I)的升温过程，气体优选氢气，加热时间优选40min。氢气升温处理的目的是为了更彻底的排除氧氮等杂质气体，从而为后续的等离子体化学气相沉积过程提供条件，以得到低缺陷、高质量的纳米金刚石。综上所述，本专利技术中优选技术参数的基本构成是:氯化钠基底材料在甲烷、氢气共存的条件下，通过等离子体放电作用。经过这样的步骤，可以实现简单有效的纳米金刚石的制备，其操作流程的简单化，有望投入到产业化当中，为工业生产、产品优化升级提供了条件。本专利技术具有以下明显的优点: I)首先，本专利技术中，氯化钠作为衬底材料，采用等离子体增强化学气相沉积的方法，，直接在基片上原位生长纳米金刚石。纳米金刚石的制备无需基底预处理和催化剂，反应时间短，产量高，有别于繁琐的制备纳米金刚石的基底预处理方法。2)其次，本专利技术中甲烷气体、氢气配比是经过反复实验测试得到的，并且可以重复实验参数，保证了实验操作可重复性。3)最后，本专利技术所制备的纳米金刚石的生长机理是全新的。【具体实施方式】: 实施实例1: 1)采用氯化钠为基底，利用PECVD设备，在氢气氛围中升温至800°C，升温速率为200C /min,当到达该温度后，通入甲烷气体，使甲烷与氢气配比为1:4，总压强控制在1200Pa ； 2)在PECVD设备中，完成步骤I)后，开启射频电源，射频功率控制在260W，沉积时间为30_40min ； 3)反应结束后，继续通氢气至室温； 根据上述专利技术的举例方法，可以制备出纳米金刚石材料，该材料具有如下特征: I)对通过上述专利技术所用方法得到的样品进行透射电镜(TEM)表征。表明金刚石的粒径在15-20nm之间。2)对通过上述专利技术所用方法得到的样品进行拉曼分析，测量范围在lOOO1000cnr1之间。从谱图上我们可以看到在1331CHT1处的金刚石拉曼散射峰。此外，1588 cnT1附近的微弱峰包表明该样品中还含有少量具有SP2结构的非金刚石相。与金刚石相比，石墨对拉曼散射要敏感的多，即Sp3键的拉曼散射效率约为Sp2键的1/50，由此说明了此样品中金刚石成分占绝对优势。表明生成物缺陷少，质量高。根据上述专利技术的举例方法，可以实现纳米金刚石的制备，该材料具有如下特征: 1)对通过上述专利技术所用方法得到的纳米金刚石进行透射电镜(TEM)观察，发现沉积的纳米金刚石，且均匀地分布在基底表面上； 2)对通过上述专利技术所用方法得到的拉曼表征分析，发现纳米金刚石结晶良好，基本不含其它纳米碳杂质。3)对通过上述专利技术所用方法得到纳米金刚石生长机理进行了分析。氯化钠表面由于弛豫形成双电层，能够吸附带正电荷的碳氢基团，此基团作为纳米金刚石成核的前驱体，进而长大形成纳米金刚石。【专利附图】【附图说明】: 图1是实施实例I中，生长在氯化钠基片上的纳米金刚石的拉曼光谱分析图谱。测量范围在lOOO1000cnT1之间。从谱图上我们可以看到在1331CHT1处的金刚石拉曼散射峰。此外，1588cm-1附近的微弱峰包表明该样品中还含有少量具有Sp2结构的非金刚石相。图2至图6是实施实例I中得到的纳米金刚石的TEM图片。图2_图3是纳米金刚石颗粒的透射电镜照片。从图中我们可以看到纳米金刚石的直径大约是20nm。图4是将图2中被箭头标示的部分进行局部放大而得到的高分辨透射电镜照片，从照片上我们可以看出，其晶面间距是0.21nm，与金刚石的(111)的晶面间距相符。图5和图6分别是将图2中箭头标示的纳米颗粒的边缘和核心进行局部放大而得到的高分辨透射电镜照片，从图中我们可以看出，颗粒的边缘部分是结晶很好的碳原子层组成的，原子的层间距大约是0.34nm,与石墨的原子层间距基本吻合。而在其纳米颗粒的核心部分，我们也同样可以看到其结晶性良好，其晶面间距为0.21nm，与金刚石的(111)的晶面间距相等。由以上分析我们可以得出，纳米金刚石的颗粒是被包覆在结晶良好的石墨外壳中。图7是实施实例I中得到的纳米金刚石的生长机制示意图。众所周知，金刚石因具有高的界面能，所以在大部分基片上成核密度比较低。在实验过程中，我们发现金刚石在抛光的硅片上很难成核，然而，金刚石可以直接在氯化钠基片上成核，不需要对基片做任何的预处理。我们合成纳米金刚石时，之所以选择氯化钠作为基底的原因如下:(1)首先氯化钠基片有粗糙的表面，利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
在NaCl基底上，在氢气/甲烷的气氛下制备出纳米金刚石的一种方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：步骤A：将NaCl（100）单晶片放置于丙酮溶液中，超声清洗3min，用吹风机吹干，放在RF‑PECVD真空室的样品台上，在氢气的气氛下加热至反应温度，进行化学气相沉积；步骤B：在甲烷和氢气的等离子体中，在NaCl的衬底上进行化学气相沉积过程；步骤C：反应结束后，停止通入甲烷，通保护气体氢气，冷却至室温。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐强，杨光敏，高峰，郑伟涛，
申请(专利权)人：长春工程学院，
类型：发明
国别省市：吉林;22