石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种石英基Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜，其制备方法为：用纳米金刚石溶液对石英衬底进行超声振荡预处理；采用热丝化学气相沉积法，在经过预处理的石英衬底上制备得到纳米金刚石薄膜，再将其置于500～650℃的空气中保温10～50min，即制得所述的石英基Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜；本发明专利技术简单易行、容易操作，制备得到的具有强Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜与石英基体结合力较弱，为剥离获得具有Si‑V发光的纳米金刚石晶粒奠定了良好的基础，这对于实现纳米金刚石在生物标记、单光子源等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。

【技术实现步骤摘要】
(一)
本专利技术涉及一种生长在石英衬底上的具有强Si-V发光(在光致发光谱中的发光峰位于738nm)的单颗粒层纳米金刚石薄膜及其制备方法。(二)
技术介绍
金刚石中的硅-空位(Si-V)在光致发光谱的发光峰位于738nm，发光峰较窄(仅5nm)，发光寿命短(仅1.2ns)，这些优异的光学性能使得Si-V成为极具应用潜力的单光子源，在量子信息技术、半导体器件以及光电子器件等领域具有极重要的应用前景。同时，Si-V发光中心的发光峰位于738nm，能够使用红外光或近红外光作为激发光，在标记活体生物时，可以最大限度地降低生物组织对激发光的吸收，使得深层组织成像；并且Si-V发光中心具有很窄的零声子线(仅几纳米)，可以进一步减小生物成像中的自体荧光，将单光子信号与背景信号有效地分离。因此，金刚石中的Si-V发光中心在生物标记领域的应用有着极大的优势。实现金刚石中Si-V发光中心在单光子和生物标记领域应用的关键是获得Si-V发光的纳米金刚石晶粒。我们已受理的专利CN201510149374.4，CN201510149396.0中，将单颗粒层纳米金刚石薄膜生长在单晶硅片上，颗粒尺寸在500～600nm之间，具有较强的Si-V发光性能；这些颗粒由纳米尺寸的金刚石晶粒和非晶碳组成，晶粒通常包裹在非晶碳中。要获得Si-V发光的纳米金刚石晶粒，必须首先使单颗粒层薄膜从衬底上脱落下来。但是，如专利CN201510149374.4和CN201510149396.0中所述，生长在单晶硅片上的单颗粒层纳米金刚石薄膜的附着力良好，较难脱落；与单晶硅衬底相比，石英和金刚石的热膨胀系数相差较大，导致二者之间的结合力较差，更容易将金刚石薄膜从石英衬底上剥离。因此，为了使单颗粒层纳米金刚石薄膜更容易从衬底上脱落，以获得尺寸小于100纳米的Si-V发光的金刚石晶粒，本专利技术拟使用石英作为衬底，制备具有Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜，为实现Si-V发光的金刚石在单光子源和生物标记的应用奠定基础。在石英上制备金刚石薄膜，已有一些研究。如1995年，姬荣斌等人在石英玻璃上采用射频等离子体增强的热丝化学气相沉积(RFHFCVD)技术，成功制备了均匀透明的金刚石薄膜。2002年，邱东江等人采用RFHFCVD技术在石英玻璃衬底上制备了表面光滑、晶粒致密均匀的纳米金刚石薄膜。2009年，张磊等人在石英玻璃管外表面沉积纳米金刚石薄膜，从而增强石英玻璃管的抗腐蚀性能。这些报道中涉及的金刚石薄膜都是在石英衬底上生长的致密连续的薄膜，没有涉及由单个颗粒组成的纳米金刚石薄膜；并且在性能上，已有报道关注的是光学透明性或者耐腐蚀性能等，没有关注石英衬底上的金刚石薄膜的光致发光性能，尤其是金刚石中的Si-V缺陷中心的发光性能。本专利技术在石英衬底上制备具有Si-V发光的单颗粒层的纳米金刚石薄膜，为利用超声振荡将薄膜中的发光晶粒分离出来奠定基础，对于实现金刚石在单光子源和生物标记等领域的应用具有重要意义。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种生长在石英衬底上的强Si-V发光[Si-V发光在光致发光谱(PL谱)中特征峰位于738nm处]的单颗粒层纳米金刚石薄膜及其制备方法。本专利技术采用热丝化学气相沉积法，在石英衬底上制备得到单颗粒层纳米金刚石薄膜，该薄膜具有Si-V发光性能，通过在空气中热氧化处理后，薄膜的Si-V发光强度大大增强。本专利技术首次在石英衬底上制备出具有Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜。本专利技术采用如下技术方案：一种石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜，按如下方法制备得到：(1)用纳米金刚石溶液对石英衬底进行超声振荡预处理；(2)采用热丝化学气相沉积法，在经过步骤(1)预处理的石英衬底上制备得到纳米金刚石薄膜，再将其置于500～650℃的空气中保温10～50min，即制得所述的石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜。本专利技术制得的石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜由尺寸为300～600nm的颗粒组成，每个颗粒中包含尺寸为纳米级的金刚石晶粒和非晶碳相。进一步，步骤(1)的具体操作方法为：将纳米金刚石粉末(粒径为100nm)分散于去离子水中(料液质量比1：50～150)，得到纳米金刚石溶液，将石英衬底置于所得纳米金刚石溶液中，使用功率为200W的超声波振荡机进行超声波振荡0.5～3h，之后将石英衬底依次置于去离子水、丙酮中，使用功率为200W的超声波振荡机分别进行超声清洗2min，最后干燥，备用。进一步，步骤(2)的具体操作方法为：将经过步骤(1)预处理的石英衬底放入热丝化学气相沉积设备，以丙酮为碳源，采用氢气A鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，氢气B、丙酮的流量比为200：90，热丝与石英衬底的距离为6～10mm，反应功率为1600～2000W，工作气压为1.63～2.63Kpa；薄膜生长时间为5～30min，在反应过程中不加偏压，薄膜生长结束后，在不通氢气B的条件下降温冷却至室温(20～30℃)，即在石英衬底上制备得到纳米金刚石薄膜，再将其置于500～650℃的空气中保温10～50min，即制得所述的石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜。所述的“氢气A”、“氢气B”没有特殊的含义，标记为“A”、“B”只是用于区分不同的两路氢气。其中氢气A作为丙酮的载气，以鼓泡方式将丙酮带入到反应室中，丙酮的流量以氢气A的流量进行计算。本专利技术的有益效果主要体现在：(1)采用热丝化学气相沉积法，在石英衬底上制备纳米金刚石薄膜，薄膜在738nm处具有Si-V发光，这是首次在石英衬底上制备出具有Si-V发光的纳米金刚石薄膜；(2)将纳米金刚石薄膜在一定温度的空气中保温一定时间，获得单个颗粒组成的纳米金刚石薄膜，使得其具有很强的Si-V发光，较未氧化颗粒的Si-V发光强度提高了9～26倍；(3)本专利技术在石英衬底上制备得到的具有强Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜，为纳米金刚石在光纤传输、生物传感器、生物标记等领域的应用提供了新思路。本专利技术简单易行、容易操作，制备得到的具有强Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜与石英基体结合力较弱，为剥离获得具有Si-V发光的纳米金刚石晶粒奠定了良好的基础。这对于实现纳米金刚石在生物标记、单光子源等领域的应用具有十分重要的科学意义和工程价值。(四)附图说明图1为实施例1中石英衬底上制备的纳米金刚石薄膜的场发射扫描电镜(FESEM)照片；图2为实施例1中石英衬底上制备的纳米金刚石薄膜的光致发光谱，其中内附图为薄膜的Raman光谱图；图3为实施例1中，在600℃空气中保温20分钟得到的单颗粒层纳米金刚石薄膜的表面SEM图；图4为实施例1中，在600℃空气中保温20分钟得到的单颗粒层纳米金刚石薄膜的光致发光谱图，其中内附图为薄膜的Raman光谱图；图5为实施例2中，在600℃空气中保温40分钟得到的单颗粒层纳米金刚石薄膜的表面SEM图；图6为实施例2中，在600℃空气中保温40分钟得到的单颗粒层纳米金刚石薄膜的光致发光谱图，其中内附图为薄膜的Raman光谱图。(五)具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此。以下实施例中所用到的超声机为深圳超艺达科技有限公司生产的PS-30型超声机器，超声功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石英基Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜，其特征在于，所述石英基Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜按如下方法制备得到：(1)用纳米金刚石溶液对石英衬底进行超声振荡预处理；(2)采用热丝化学气相沉积法，在经过步骤(1)预处理的石英衬底上制备得到纳米金刚石薄膜，再将其置于500～650℃的空气中保温10～50min，即制得所述的石英基Si‑V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜，其特征在于，所述石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜按如下方法制备得到：(1)用纳米金刚石溶液对石英衬底进行超声振荡预处理；(2)采用热丝化学气相沉积法，在经过步骤(1)预处理的石英衬底上制备得到纳米金刚石薄膜，再将其置于500～650℃的空气中保温10～50min，即制得所述的石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜。2.如权利要求1所述的石英基Si-V发光的单颗粒层纳米金刚石薄膜，其特征在于，所述步骤(1)的操作方法为：将纳米金刚石粉末以料液质量比1：50～150分散于去离子水中，得到纳米金刚石溶液，将石英衬底置于所得纳米金刚石溶液中，使用功率为200W的超声波振荡机进行超声波振荡0.5～3h，之后将石英衬底依次置于去离子水、丙酮中，使用功率为200W的超声波振荡机分别进行超声清洗2min，最后干燥，备用...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓君，仰宗春，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33