一种等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法

本发明涉及一种等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的新方法。

背景技术：

1、金刚石具有极其优异的物理化学性质，如硬度高、热导率高、禁带宽、耐化学腐蚀能力强等，在工业加工、电子器件、电化学电极等领域有极为广泛的应用前景。尤其是作为宽禁带半导体材料的典型代表，金刚石被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料，对未来综合国力、国防安全有重大影响。

2、目前，高温高压(hpht)法和化学沉积(cvd)法是制备金刚石最常用的手段。高温高压法模拟了天然钻石在地下生长的自然机理，一般需要10gpa、3000℃以上的压力和温度，让石墨中的碳原子重新组合成金刚石结构。采用hpht法制备的金刚石在硬度和晶体结构上与天然金刚石相同，在工业中广泛应用。然而hpht法合成高质量的块状单晶金刚石的实验条件极为苛刻，其相变所需的压力高达几千兆帕甚至更高，而温度条件也高达几千摄氏度，制备成本高，并且制备大块单晶的难度较高。cvd金刚石的主要制备方法包括热丝化学气相沉积(hfcvd)法、微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)法、燃烧火焰化学气相沉积(cfcvd)法等。一般以气态碳源作为金刚石生长原料，除了使用气态碳源以外，有研究者利用石墨板作为固体碳源和衬底，在微波等离子体化学气相沉积系统或热丝化学气相沉积系统中通入氢气，在石墨、硅衬底或多壁碳纳米管上制备出金刚石。一般认为上述cvd方法的实验原理都是通过解离气态或固态碳源形成chx作为金刚石生长的前驱体来制备金刚石。由于碳源的解离需要较高能量，因此上述cvd方法通常需要较大用电功率以提供高的微波能量密度或高的热丝温度，也就导致制备金刚石的能耗更高。因此，迫切需要发展新的金刚石制备方法。

3、发明人在专利cn 202310632157.5中，利用直流辉光放电等离子体化学气相沉积系统，得到了具有单分散钼原子的竖立石墨烯薄膜，再配合真空退火处理在低压下将石墨烯转变为金刚石，发展出了一种与cvd和hpht方法不同的石墨直接相变制备金刚石的方法。该专利在700-1100℃下退火25-50min，使竖立石墨烯直接转变为金刚石，但转变量还不够高。本发明在此基础上发展了一种在低微波功率条件下通过短时间等离子体处理将竖立石墨烯大量转变为金刚石的方法，为金刚石的制备提供了更节能环保的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低微波功率下短时等离子体处理将竖立石墨烯转变为金刚石的方法。该方法利用直流辉光放电等离子体化学气相沉积系统，制备得到钼负载竖立石墨烯薄膜，再利用微波等离子体进行短时氢处理，实现竖立石墨烯向金刚石的转变。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，所述方法包括以下步骤：

4、s1：单晶硅片经砂纸打磨，清洗，干燥，得到预处理的硅片；

5、以上预处理的目的是去掉硅片表面的氧化层、油脂和灰尘并留下足够多的划痕作为竖立石墨烯生长的形核点。

6、s2：将步骤s1所述预处理的硅片作为衬底放入以钼为电极的直流辉光放电等离子体化学气相沉积设备中，抽真空(至小于5pa)，通入气体流量为400～600sccm(优选500sccm)的氢气和气体流量为30～40sccm(优先40sccm)的甲烷(无氧碳源)，工作气压以14.25-38torr/min(优选28.5torr/min)的速率升高至56.9～57.1torr(优选57torr)，同时工作功率以0.85-2.27kw/min(优选1.7kw/min)的速率升高至3.2-3.5kw(优选3.4kw)后，沉积55～65min(优选60min)，所述沉积的过程中，所述衬底的温度控制在890-950℃(优选930℃)，得到钼负载竖立石墨烯薄膜(位于单晶硅片上)；

7、s3：将步骤s2所述的钼负载竖立石墨烯薄膜放入微波等离子体化学气相沉积设备中，进行氢等离子体处理，得到竖立石墨烯制备的金刚石；所述氢等离子体处理按如下参数进行：氢气流量为350sccm～400sccm(优选400sccm)，工作气压为650pa～700pa(优选660pa)，功率为650w～700w(优选660w)，处理时间为8.5～16min(优选16min)。

8、在本发明的实施例中，本发明步骤s1中所述的单晶硅片是购自浙江立晶光电科技有限公司的p型<100>单面抛光硅片。

9、具体地，步骤s1中所述预处理的硅片经过如下操作得到：将所述单晶硅片用1000目砂纸打磨，依次用有机溶剂、去离子水清洗，氮气枪吹干，得到所述预处理的硅片；所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。

10、本发明尤其推荐所述方法为：

11、s1：单晶硅片经1000目砂纸打磨，依次用无水乙醇、去离子水清洗，氮气枪吹干，得到预处理的硅片；

12、s2：将步骤s1所述预处理的硅片作为衬底放入以钼为电极的直流辉光放电等离子体化学气相沉积设备中，抽真空，通入气体流量为500sccm的氢气和气体流量为40sccm的甲烷，工作气压为以28.5torr/min的速率升高至57torr，同时工作功率以1.7kw/min的速率升高至3.4kw后，进行沉积60min，所述沉积的过程中，所述衬底的温度控制在930℃，得到钼负载竖立石墨烯薄膜；

13、s3：将步骤s2所述的钼负载竖立石墨烯薄膜放入微波等离子体化学气相沉积设备中，进行氢等离子体处理，得到竖立石墨烯制备的金刚石；所述氢等离子体处理按如下参数进行：氢气流量为400sccm，工作气压为660pa，功率为660w，处理时间为16min。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：(1)本发明的方法与化学气相沉积法相比，利用石墨相变制备金刚石所需的微波功率低、所需时间短、能耗低；(2)一步实现了石墨烯转变为金刚石；(3)通过控制等离子体处理时间可获得颗粒状或片层状金刚石；(4)该方法对设备要求较低。

技术特征：

1.一种等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于：步骤s1中所述的单晶硅片是购自浙江立晶光电科技有限公司的p型<100>单面抛光硅片。

3.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于步骤s1中所述预处理的硅片经过如下操作得到：将所述单晶硅片用1000目砂纸打磨，依次用有机溶剂、去离子水清洗，氮气枪吹干，得到所述预处理的硅片；所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。

4.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于：步骤s2中所述氢气的气体流量为500sccm，所述甲烷的气体流量为40sccm。

5.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于：步骤s2中所述工作气压以28.5torr/min的速率升高至57torr。

6.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于：步骤s2中所述工作功率以1.7kw/min的速率升高至3.4kw。

7.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于：步骤s2中所述衬底的温度控制在930℃。

8.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于：步骤s3中所述氢气流量为400sccm，工作气压为660pa。

9.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于：步骤s3中所述功率为660w，所述处理时间为16min。

10.如权利要求1所述的等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法，其特征在于所述方法为：

技术总结本发明公开了一种等离子体处理竖立石墨烯制备金刚石的方法。该方法与化学气相沉积法相比，所需的微波功率低、时间短，能耗低，一步实现了石墨烯转变为金刚石，通过控制等离子体处理时间可获得颗粒状或片层状金刚石，对设备要求较低，有效降低金刚石生产成本。技术研发人员：胡晓君,何承全,陈成克,洪鲁枭受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29