目前世界發(fā)達(dá)國家CVD金剛石薄膜的生產(chǎn)方法很多,主要有:熱絲CVD法(HFCVD)、燃燒火焰沉積法(Flame deposition)、直流電弧等離子噴射CVD法(DAPCVD)、微波等離子體CVD法(WMPCVD)、激光輔助CVD 法(LACVD)等。
因CVD金剛石薄膜具有高純度、高硬度、高耐磨性、高熱導(dǎo)率、高光透過波段寬度、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐酸堿腐蝕等特性,利用其高硬度開發(fā)制造砂輪的修整工具、刀具等刃具,以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、噴砂嘴、噴水嘴、精密軸承支撐器、人造骨關(guān)節(jié)、錄音磁頭、磁盤保護(hù)層等耐磨器件,其在光、熱、電、聲等高新技術(shù)領(lǐng)域中功能性應(yīng)用的前景將更加廣闊。
CVD的光學(xué)應(yīng)用:金剛石具有從紫外到紅外的透光性和良好的透過率、高硬度和高導(dǎo)熱率、較強(qiáng)的抗輻射損傷和極好的耐熱沖擊性能,因此,CVD金剛石是最好的紅外保護(hù)材料??捎糜诔羲傩滦蛿r截導(dǎo)彈的頭罩;飛機(jī)(車、船)載紅外熱成像裝置或其他光學(xué)裝置的窗口或窗口保護(hù)層,大功率激光窗口的熱透鏡;用于照相機(jī)鏡頭既能起到增透作用,又提高鏡頭的耐磨性;用作太陽能電池增透膜,可提高太陽能電池效率60%以及紅外線夜視鏡等。
CVD用作熱沉元器件:金剛石的熱傳導(dǎo)率在室溫下為銅的5倍,是目前已知材料中最高的、高絕緣電阻和極低熱膨脹系數(shù)等特性,是大功率激光器件、微波器件、大功率集成電路、發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,簡稱LED)等高功率密度電路元件的散熱材料,可以提高這些器件的功率壽命。目前我國已有能力制備各種金剛石熱沉片。
CVD用作電子器件:金剛石半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、抗輻射性強(qiáng)、高臨界擊穿電場、低的介電常數(shù)以及很高的載流子遷移率;由于金剛石具有負(fù)電子親和勢,在低電場下具有比其他場發(fā)射材料更低的功函數(shù)與閾值電場,是一種非常理想的電子場發(fā)射材料,特別適合在平板顯示器、紫外光、X-射線、α粒子等輻射探測器等真空微電子器件中應(yīng)用。
CVD用作傳感器:摻硼的金剛石薄膜具有顯著的縱向壓敏電阻效應(yīng),并具有高的彈性模量,是制造高溫、惡劣條件工作的壓力傳感器的最佳材料。隨后許多國家對(duì)此作了大量的研究,并且美、德、日等國的金剛石薄膜壓力傳感器已經(jīng)試驗(yàn)成功。金剛石薄膜除了具有壓阻效應(yīng)外,還具有熱敏電阻效應(yīng),適應(yīng)溫度范圍廣,響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn),因此金剛石薄膜可制成溫度傳感器。目前已試驗(yàn)成功的金剛石傳感器件有壓力傳感器、溫度傳感器,還有微加速度傳感器等。
CVD在聲學(xué)方面的應(yīng)用:CVD金剛石薄膜的縱波聲速是自然界所有材料中最大的(20000m/s),并具有高的彈性模量,有利于聲學(xué)波的高保真?zhèn)鬏敚菢O佳的高頻聲表面波(SAW)材料,是制作揚(yáng)聲器高頻振膜最理想的材料。在鍍有金剛石薄膜的鈦復(fù)合振膜的頻響上限從純鈦振膜的20kHz 提高到30kHz,最高可達(dá)33kHz,使高音揚(yáng)聲器電聲性能有顯著的提高,使高音更加清脆亮麗。
CVD所具有的優(yōu)越性能和廣闊的應(yīng)用前景,得到了我國的高度重視,被列入我國高技術(shù)研究發(fā)展的“863”計(jì)劃,眾多大學(xué)、研究單位從事CVD的研究工作,研發(fā)隊(duì)伍迅速擴(kuò)大,專業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)越來越多。
“十一五”期間,我國低壓高溫化學(xué)氣相沉積法合成金剛石膜(CVD)的專業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)迅速增加,創(chuàng)新能力迅速提高,生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)大,產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的提升,應(yīng)用研究快速跟進(jìn),發(fā)展迅速。目前我國金剛石膜(CVD)制備采用最多的是熱絲法(HFCVD)。該技術(shù)的特點(diǎn)是設(shè)備相對(duì)簡單,操作方便,成本低,是工具應(yīng)用金剛石膜制備的主要方法,可以生長大面積CVD膜(300×300mm2),用于工具的金剛石厚膜可以達(dá)到150毫米直徑、2毫米以上;另一種是直流等離子體噴射化學(xué)氣相沉積法(DAPCVD),該方法不但可以制備用于砂輪修整工具坯料、刀具坯料、拉絲模芯坯料和耐磨器件,而且可制備用于光學(xué)窗口、散熱元件等的功能材料,還可以用來制作高純度金剛石大單晶,達(dá)到世界先進(jìn)。同時(shí)我國在熱絲法、直流等離子法CVD制備設(shè)備的制造技術(shù)同步提高,我國研制成功了“高功率直流等離子體噴射CVD設(shè)備”,使我國成為繼美國之后,能獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造同類設(shè)備的國家,達(dá)到世界先進(jìn)水平。目前我國采用直流等離子化學(xué)氣相沉積的金剛石薄膜(CVD),直徑可達(dá)200毫米,厚度達(dá)3毫米,不但為我國金剛石膜工具及耐磨器件的制造應(yīng)用給力,同時(shí)也為金剛石在熱、光、電、聲等高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),開辟了廣闊前景。