一种纳米金刚石表面硅烷真空热解沉积设备的制作方法

本申请涉及PDC刀具材料制造领域，特别涉及一种纳米金刚石表面硅烷真空热解沉积设备。

背景技术：

目前国内外所使用的纳米金刚石多是由爆轰法制备。纳米金刚石不仅具有金刚石的一般特性，同时还有纳米材料的小尺寸效应及极大的比表面，特别是爆轰法合成的纳米金刚石含有较多的位错和晶格畸变，因此爆轰法制得的纳米金刚石具有很高的表面活性，其表面吸附有大量含氧官能团，主要有羟基、羧基、羰基、醚基、酯基，以及一些含氮的基团。所以纳米金刚石表面的净化问题以及净化后的保存问题成为了纳米金刚石下游应用需要解决的关键技术问题。

为解决上述问题，首先在高真空状态下净化处理纳米金刚石，使其表面吸附的大量含氧、含氮、含Cl官能团解吸。冷却至室温后向反应室中导入硅烷气体，在负压下充分渗入堆积的纳米金刚石粉体之间。部分前驱体分子与纳米金刚石表面悬键反应形成单分子或多分子饱和吸附层，多余的气体分子均匀地弥散于纳米金刚石周围。然后通入惰性保护气体使得吸附物能在一定温度条件下原位热解沉积。由于上述吸附-热解反应是受表面吸附层通入的气体总量控制的自限制反应，因而可促使硅镀层沿着表面二维生长，形成准原子级镀层。

由于硅烷属于易燃危险气体，要在纳米金刚石表面实现硅烷热解沉积准原子硅镀层，其设备沉积条件和安全使用条件较为苛刻，一般化学气相沉积设备无法实现。因此，需要研制一种专用的纳米金刚石真空硅烷热解沉积设备。

技术实现要素：

本发明提供了一种纳米金刚石表面净化、实现准原子级硅镀层的真空热解沉积设备。具体的，作为优选，所述设备包括：机械泵、扩散泵、四通阀、真空管式炉、石英管、载物台、硅烷进气口、氩气进气口、流量计、复合真空计、放气阀；所述机械泵和所述扩散泵连接；所述的扩散泵与所述的四通阀的第一通相连；所述的复合真空计与所述的四通阀的第一通连接，所述的四通阀的第三通和所述的硅烷进气口相连，所述的四通阀的第二通和所述的氩气进气口相连，四通阀的第四通和所述的真空管式炉内的石英管的一端相连；所述的石英管另一端与外界用放气阀连接；石英管内设置有能够盛放纳米金刚石的载物台；

其有益效果是，在负压下充分渗入堆积的纳米金刚石粉体之间，实现吸附-热解反应，该反应受表面吸附层通入的气体总量控制的自限制反应，因而可促使硅镀层沿着表面二维生长，形成准原子级镀层。

所述机械泵与扩散泵用低真空管连接，其有益效果是先抽低真空。

所述复合真空计与四通阀的第一通连接处，复合真空计与四通阀第一通之间设有抽真空阀；四通阀的第二通和硅烷气瓶用高真空管用硅烷阀控制，四通阀的第二通与硅烷气瓶之间设有流量计，四通阀的第三通和氩气气瓶用DN8的真空胶管相连，之间设有氩气阀，四通阀的第四通和所述的真空管式炉内的石英试管用高真空管相连，四通阀的第四通与石英试管之间设有反应阀。其有益效果是，在高真空状态下净化处理纳米金刚石，使其表面吸附的大量含氧、含氮、含Cl官能团解吸。冷却至室温后向反应室中导入硅烷气体，在负压下充分渗入堆积的纳米金刚石粉体之间。

所述所述的复合真空计的量程为0-10-6Pa，其有益效果是，测得高真空系统中的真空度，极限真空≤1x10-6Pa。

所述高真空管与石英试管以环槽面法兰连接相连；石英试管与放气阀用密封套装结构连接，其有益效果是，通过几道密封圈的密封，其密封性可以得到有效保障，保证沉积时所需的高真空环境，有效避免硅烷气体使用时的安全隐患问题。设计了活动卡箍结构，卸物和置物时只需拧开卡箍，移开端盖，便可以将石英载物台取出或内置。这样既方便样品的放置和取出，也同时保证了纳米金刚石粉能平整均匀地铺开。

所述抽真空阀、硅烷阀、氩气阀、反应阀与四通阀连接，连接方式相同，采用不锈钢真空卡箍连接，其有益效果是，保证沉积时所需的高真空环境。其有益效果是，部分前驱体分子与纳米金刚石表面悬键反应形成单分子或多分子饱和吸附层，多余的气体分子均匀地弥散于纳米金刚石周围。然后通入惰性保护气 体并在一定温度条件下使得吸附物原位热解在纳米金刚石表面形成硅镀层。准原子硅烷镀覆层均匀镀覆，且厚度约为0.5nm～10nm。

所述放气阀与环槽面法兰连接，用焊接方式连接，其有益效果是，保证沉积时所需的高真空环境，有效避免硅烷气体使用时的安全隐患问题。

所述的石英试管尺寸为它作为硅烷热解沉积的反应室，其有益效果是，保证纳米金刚石均匀受热，沉积温度约为300℃～650℃连续可调，温区稳定性为±1℃。

附图说明

图1为纳米金刚石表面硅烷真空热解沉积设备的装配示意图；

图2为端头密封套装结构示意图；

图3为硅原子镀覆纳米金刚石透射电镜图；

具体实施方式

一种硅烷真空热解沉积设备，包括机械泵1和真空泵2，通过四通阀3将硅烷进气口7、保护气体氩气进气口8与真空管式炉4中石英管5相连，以保证硅烷镀覆时所需的高真空环境。纳米金刚石放置于石英管5里面的载物台6上，在高真空、高温环境中净化处理纳米金刚石，使其表面吸附的大量含氧、含氮、含Cl官能团解吸。冷却至室温后向反应室中导入硅烷气体，流量计9控制通入硅烷的含量，使之负压下充分渗入堆积的纳米金刚石粉体之间。部分硅烷气体与纳米金刚石表面悬键反应形成单分子或多分子饱和吸附层，并均匀地弥散于纳米金刚石周围。然后从氩气进气口8通入保护气体氩气使得吸附物原位热解在纳米金刚石表面形成硅镀层。其中，真空度通过复合真空计10测得。

工作时，体系抽真空需先进行机械泵1抽真空，待其真空度达至5Pa以下，开扩散泵2使体系达到高真空度，真空度约达到8×10-3Pa～1×10-4Pa即可开始对体系加热；加热载有纳米金刚石的钼舟及反应腔体，温度升至400℃～700℃，在高真空度及高温下使纳米金刚石表面官能团悬键断开，再将其温度降至室温；先通入硅烷气体，进气时间为1s～40s，硅烷气体的流量通过流量计9控制，流量为1sccm～1000sccm，硅烷气体在沉积室内暴露时间为1min～50min，使硅烷吸附在金刚石表面；通入氩气时间为10～80s，氩气的气体流量为1ml/min～20ml/min，通气时间为5s～40s；通气以后开始加热，加热至400℃～600℃，硅烷高温下分解，硅原子与金刚石表面悬键结合。此时纳米金刚石表面附着原子级的硅。最后打开放气阀11，将实验剩余硅烷气体利用氩气驱散排出反应腔体。

图3是硅烷镀覆后的纳米金刚石透射电镜图。图中表明，纳米金刚石表面硅原子镀层为原子级别，尺寸约为5nm，实现了纳米金刚石表面硅的原子级镀覆。