纳米金刚石薄膜的性能研究摘要：纳米金刚石薄膜的优异性能吸引了众多学者的关注，同时也成为CVD金刚石薄膜研究领域的新热点。
它在很多领域都具有极好的应用前景，是我们将来生活中不可或缺的一种薄膜材料。
本文简单介绍了纳米金刚石薄膜的一些应用，并主要从光学、力学和电学的角度对其性能做了详细阐述。
关键词：纳米金刚石薄膜性能Properties of Nanocrystalline Diamond FilmsAbstract：The excellent properties of nanocrystalline diamond films are of interest for many researchers and have become a new hot point in the development of diamond films prepared by chemical vapor deposition. It has good prospects in many fields, and became an indispensable film material of our lives. The paper introduced briefly the applications of nanocrystalline diamond films, while its properties were described in detail mainly from the optical, mechanical and electrical points.Keywords：nanocrystalline diamond films properties1 引言纳米金刚石薄膜是一种近年来引起广泛重视和迅速发展的新材料。
纳米金刚石薄膜之所以引起国内外广大学者们的极大兴趣，原因是它晶粒非常细小，可达几个到几十纳米之间，比常规金刚石薄膜小两个数量级以上，而且纳米金刚石薄膜的硬度比传统金刚石薄膜低。
由于纳米效应，纳米金刚石薄膜除了具有常规金刚石优异的物理和化学性质外，还具有表面粗糙度低、摩擦数系小、便于表面研磨抛光、电阻率低、红外透过率高等优点，因而在MEMS元件材料、场发射、生物传感器和摩擦磨损等许多领域要比普通金刚石薄膜具有更好的应用前景[1-3]，不久的将来可望成为更为理想的微电子及半导体材料、新型光学材料、光电子材料、工模具涂层材料。
另外，纳米金刚石薄膜致密光滑，缺陷和晶界尺度远比微米量级的小，使得它具有很高的弹性模量，近似与金刚石微晶，是非常优异的声表面波基底材料[4,5]。
到目前为止，国内外对纳米金刚石薄膜的研究，还处于基础性研究阶段，着重于纳米金刚石的形核机理、结构表征以及性能分析，另外还有表面改性，比如纳米金刚石薄膜掺氟后会降低其表面能[6]。
但这些研究还有不少关键问题亟待解决，应用研究才刚刚起步，尚未形成成熟的产品，距产业化还有很大距离。
其中性能分析就是我们对纳米金刚石薄膜进行研究的主要内容之一，本文将对纳米金刚石薄膜的性能及其应用进行简要的评述。
2 纳米金刚石薄膜的性能2.1 光学性能纳米金刚石薄膜在紫外波长处透过率很低，对这一波长段的光子几乎完全吸收。
随着波长的逐渐增大透过率也跟着增大，在红外波长处尤其是800nm附近，透过率就能达到50%多，而普通的CVD金刚石薄膜只有30%[7,8]。
光学透过率测试结果表明，与微晶金刚石相比，纳米金刚石具有更加光滑的表面，对光波的透射是有利的，低的表面粗糙度可以降低散射，有利于提高透过性。
但是，由纳米金刚石的Raman光谱得到，随着晶粒减小的同时，纳米金刚石薄膜通常sp2碳键成分较多，这样也将导致薄膜吸收系数的增大，不利于光波的透射，反而削减了透过率。
另外，运用分光光度计对已制备的CVD纳米金刚石薄膜的光学吸收特性进行的研究，以及对透射率、吸收系数、禁带宽度等光学性能的测试和退火处理对于以上性能影响的研究，也发现薄膜的光学透过性并未随着表面粗糙度的减小而得到提高。
退火处理时由于降低了薄膜中的氢含量和非金刚石相，薄膜质量有了一定的提高，使光学吸收性能得到改善[9]。
显然纳米金刚石的光学透射性是由表面粗糙度和薄膜质量这两个因素共同决定的。
因此，要制备高透射率的纳米金刚石光学窗口，就需要优化生长工艺，获得光滑表面的同时降低sp2碳键成分。
纳米金刚石薄膜的光学能隙可以根据表达式αhv=B(hv-Eg)m进行估算，式中B 是比例因数；m是表征薄膜光跃迁的参数。
纳米金刚石薄膜，由于是金刚石相(sp3)和非金刚石相(sp2)的混合体[10]，因此薄膜的光跃迁参数很难确定，其直接跃迁机制可能占主要。
纳米金刚石薄膜中同时含有sp3和sp2碳原子，sp3的碳原子与相邻原子是以σ键结合，而sp2键的碳原子可以同时用σ键和较弱的π键与相邻原子结合。
π键电子结合较弱，靠近禁带中心的费米能级，所以决定金刚石薄膜禁带宽度的最主要因素就是薄膜中sp2键的含量。
对于光学能隙的减小，很可能是由于随着生长气氛中碳源浓度的增大，晶粒不断减小的同时，薄膜中特别是晶界处堆积了大量的非金刚石相，使薄膜中的sp3键减少，sp2键增多所致，具体机理还有待更进一步的研究。
2.2 力学性能2.2.1 弹性模量和应力当金刚石薄膜的晶粒尺寸降低到纳米尺寸时，纳米尺寸效应使得薄膜的力学性能发生显著变化。
对纳米金刚石薄膜力学性能的研究主要集中在对其应力的分析以及弹性模量的研究。
纳米金刚石薄膜中晶粒的细化导致结构内有序区域范围缩小，处于晶界的原子数量增加，缺陷密度增加，金刚石晶界存在着sp2石墨的非金刚石成分，且晶界区域内平均原子间距的增加将导致晶界大的自由体积。
同时，随着金刚石晶粒尺寸的减小，晶界的密度随之增加，晶界上的sp2成分增加，晶界畸变程度也随之增加。
纳米金刚石中晶界的非金刚石成分以及晶界的原子畸变和平均原子间距的增加，导致了纳米金刚石薄膜的弹性模量的减小。
随着纳米金刚石薄膜晶粒的减小，弹性模量随之减小，在相同的衬底约束下，薄膜抵抗弹性变形的能力下降，金刚石薄膜的热应力也随之减小。
因此减小金刚石薄膜的晶粒尺寸，会造成过多的微缺陷非金刚石成分，不利于金刚石薄膜力学性能的提高。
由Hoffman的应力杂质效应理论可知，薄膜中的杂质成分会引起薄膜的压应力。
金刚石薄膜中金刚石晶粒周围黏附的非金刚石成分(sp2)的原子排列密度小于金刚石成分(sp3)的，石墨的比容是金刚石的1.5倍，由于晶界的非金刚石成分体积膨胀受到金刚石晶粒的约束，导致金刚石薄膜产生压应力[11]。
另一方面，制备纳米金刚石薄膜时，在沉积过程中氢原子吸附在薄膜表面，甚至残留于薄膜之中形成间隙原子，造成晶格点阵畸变，在薄膜中也会产生压应力。
沉积过程中活性基团和氢原子浓度的增加，导致金刚石晶粒的减小，晶界密度增加，纳米金刚石薄膜中残留sp2与H间隙原子浓度增加，纳米金刚石薄膜的残余压应力也显著增加。
目前对于纳米金刚石薄膜的残余应力仍缺乏系统的研究，有待进一步的探索。
2.2.2 摩擦性能纳米金刚石薄膜具有优异的摩擦和抗磨损性能。
由于金刚石晶粒尺寸的减小，使得晶界密度大量增加，晶界上的sp2成分增加，引起了纳米金刚石薄膜的弹性模量和显微硬度的降低，但是韧性增大，光滑表面和晶界石墨的润滑使得纳米金刚石薄膜的摩擦系数显著降低（约为微米晶的1/3）[12]，极大地改善了薄膜的摩擦性能。
然而微米金刚石膜由于其粗糙的表面而导致摩擦系数较大，无法直接应用于摩擦磨损领域。
因此，研究纳米金刚石薄膜的摩擦磨损性能对于其在摩擦材料和密封材料的应用方面具有非常重要的意义。
2.3 电学性能非掺杂的金刚石由于其绝缘性而不具备自持发射的性质，因为场发射材料要求体材料和表面材料都应当是导电的，同时Fermi能级必须接近导带使其有场发射，而对于P型掺杂金刚石，其结构缺陷对降低电子发射所需的电场起很大作用[13]，因为缺陷可以在体带隙中形成能带并导致Fermi能级升高，从而降低电子发射的能垒。
在这方面纳米金刚石薄膜具有独特的优势。
实验发现，纳米金刚石薄膜可得到高达130mA/cm2的稳定电流。
纳米金刚石薄膜具有低的电子亲和势，有些晶面呈负电子亲和势(NEA)，使得金刚石薄膜在较低的电场下就可获得较大的发射电流；还具有较高的击穿电压和电子迁移率，可以实现高电流密度发射；另外还有宽的禁带宽度，可以使真空微电子器件在高温和高辐射等恶劣环境中稳定运行[14]，这些优越性可以使之成为真空微电子器件的理想冷阴极材料，可望在平面显示器等领域得到广泛的应用。
目前已研制出金刚石薄膜场效应晶体管和逻辑电路。
这些器件可在高温（600℃）下正常工作，具有极大的应用前途。
2.4 其他性能综上所述，纳米金刚石薄膜有着优异的光学、力学和电学性能，除了以上叙述的几种性能之外，还有热学性能、紫外探测性能等等[15]，这里就不一一详加介绍了。
3 结论纳米金刚石薄膜因具有金刚石薄膜和纳米材料的双重特性，引起了国内外广大研究人员的极大兴趣。
除了制备技术，另一个研究重点就是纳米金刚石薄膜各方面的优异性能，这些性能使它在光学、力学、电学等方面有着极好的应用前景。
目前科研人员已在一些方面对其进行了系统的研究，相信不久的将来我们对纳米金刚石薄膜的研究会深入到其他更多的领域。
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